问题

在暗物质直接探测实验中,为什么不能使用人造屏蔽体屏蔽宇宙射线干扰?或者说使用既有人造屏蔽体有什么劣势?

回答
在暗物质直接探测实验中,能否使用人造屏蔽体来屏蔽宇宙射线干扰,以及这样做有什么劣势,这个问题其实触及了探测器设计和物理原理的核心。简而言之,人造屏蔽体确实可以作为屏蔽宇宙射线的手段,但它并不能完美解决问题,而且自身也带来了一系列不容忽视的劣势。下面我将详细阐述这个问题,力求从一个真正参与实验研究的角度去理解。

为什么不能“完全”依赖人造屏蔽体来屏蔽宇宙射线?

宇宙射线并非单一性质的粒子流,它是一个复杂的混合体,主要由高能质子、α粒子等原子核组成,但也包含少量电子、光子以及各种次级粒子。这些粒子的能量范围非常广泛,并且能够以极高的速度穿透物质。

1. 宇宙射线的能量极高,穿透力惊人: 这是最根本的原因。地表宇宙射线,尤其是高能成分,其能量可以达到eV到PeV甚至更高。即使是像铅或铜这样密度极大的金属,对于这些高能粒子来说,其原子核的电荷以及材料内部的原子数量密度,都可能不足以提供足够的阻挡。高能宇宙射线粒子就像穿过薄纸一样,可能在高密度屏蔽体中发生一次或几次相互作用,产生一系列次级粒子,这些次级粒子同样可能对我们的探测器产生干扰,甚至比原始粒子更难区分。

2. 屏蔽体自身的“放射性”问题: 这是人造屏蔽体最大的劣势之一。任何用于屏蔽的材料,只要它含有天然存在的放射性同位素,或者在制造过程中被中子或其他高能粒子激活,都会成为一个潜在的“二次辐射源”。探测暗物质本身就是要寻找极其微弱的信号,这些信号可能由暗物质粒子与探测器材料的相互作用产生,其能量沉积非常低。而屏蔽材料自身的放射性衰变(例如α、β衰变,或者γ射线发射),会产生大量本底事件,这些本底事件的能量和性质可能与预期的暗物质信号非常相似,极大地“淹没”了真实信号。

例如: 很多金属,即使是工业级别的纯度,也可能含有微量的铀、钍等放射性元素。它们的衰变链会产生能量较高的γ射线,这些γ射线可以穿透较厚的屏蔽体,并与探测器中的原子核发生康普顿散射或光电效应,产生电子空穴对或闪烁光子,这些都是背景信号。
又例如: 如果屏蔽体材料暴露在环境中的中子流下(来自大气层,或者探测器附近的其他中子源),会发生(n,γ)或(n,p)等核反应,将无放射性的稳定核素变成放射性同位素,这些同位素的衰变同样会产生背景。

3. 屏蔽体的尺寸和重量限制: 为了有效屏蔽高能宇宙射线,通常需要非常厚重、致密的材料。例如,要达到足够低的宇宙射线通量,可能需要几十米甚至上百米的岩石屏蔽,或者几米厚的铅或铜屏蔽。在地下深处进行实验,依靠地层本身就是一种极其有效的屏蔽方式,因为岩石的厚度和密度可以非常大,而且岩石中的天然放射性也相对较低(当然这也需要仔细选择地点和岩石类型)。如果还要加上厚重的人造屏蔽体,其重量和体积将是巨大的挑战,这会极大地增加实验的建造和维护成本,也对地下实验室的空间提出严峻考验。

4. 屏蔽体材料的选取和净化: 即使是精心挑选的材料,其“洁净度”也至关重要。探测器工程师需要对屏蔽材料进行极致的净化,去除其中所有已知的放射性杂质。这涉及到复杂的材料科学和化学工程,成本非常高昂。例如,在一些实验中会使用纯度极高的铜,但即使是这样的铜,其表面也可能吸附一些放射性物质,或者在加工过程中被污染。

5. 次级粒子产生: 高能宇宙射线粒子(如质子)穿过屏蔽体时,会发生强子相互作用。这些相互作用会产生大量的π介子,π介子会衰变成μ介子、中微子和γ射线。其中μ介子具有很强的穿透力,而γ射线也可能产生后续的电子正电子对或康普顿散射。这些次级粒子同样需要被屏蔽,形成一个连锁反应。所以,你可能用一层铅屏蔽了初级质子,但随之而来的是一系列μ介子和γ射线的干扰。

那么,在实际实验中是如何处理宇宙射线干扰的?

正是因为上述原因,暗物质直接探测实验通常会采取以下策略来应对宇宙射线干扰:

1. 选择深埋地下: 这是最普遍也是最有效的手段。将探测器放置在足够深的地下矿井、隧道或专门建造的地下实验室中。地层的岩石(通常是花岗岩、石英岩等)可以提供数千米水当量(m.w.e.)的屏蔽。例如,意大利的大萨索国家实验室(LNGS)位于地下3700米水当量处,极大地削减了宇宙射线通量。这样的天然屏蔽体,其密度和厚度远超任何易于实现的人造屏蔽体。

2. 使用低放射性材料建造探测器和周围环境: 不仅是屏蔽体,探测器本身的材料、支撑结构、以及探测器周围的环境都需要选用极低放射性的材料。这包括超纯度的铜、不含任何放射性杂质的塑料、不含氡气污染的特殊气体、低放射性水源作为水屏蔽等。

3. 多层屏蔽与“气隙”设计: 在深埋地下后,对于那些仍然可能渗透进来的少数高能粒子,会采用多层屏蔽的设计。例如,在探测器周围放置一层由低放射性材料制成的铜或铅层,用来吸收伽马射线和低能中子。对于中子,可能会使用聚乙烯、水或含硼材料作为慢化剂和吸收剂。

4. 粒子鉴别技术(Event Discrimination): 探测器本身需要具备区分不同类型事件的能力。例如,一些暗物质候选粒子(如WIMPs)与探测器原子核的相互作用,会产生与α粒子、β粒子或伽马射线截然不同的信号特征(例如,核反冲与电子反冲的信号差异)。通过精细的信号读出和分析算法,可以有效地剔除大部分的本底事件。

5. 活体探测器(Active Shielding): 在某些情况下,会在探测器外部设置一层“活体探测器”(通常是闪烁体或盖革计数器)。当一个粒子穿过活体探测器时,会触发一个信号。如果该粒子同时也进入了主探测器,那么这个事件就会被标记为“外部触发”,并被排除掉。这相当于一个“电子屏蔽”,可以有效地识别和剔除那些来自屏蔽材料或外部环境的高能粒子。

6. 中子探测和去除: 中子是另一类重要的本底来源,它们可能来自屏蔽材料的自发裂变、宇宙射线与屏蔽材料的相互作用等。实验会使用专门的中子探测器(如}^{3} ext{He}计数管)来监测中子通量,并尝试使用中子吸收材料来减小其影响。

总结来说, 人造屏蔽体在暗物质直接探测实验中并非完全不能使用,但它更像是一种“辅助”手段,而且其劣势(特别是自身的放射性以及巨大的尺寸重量问题)非常显著。相比之下,深埋地下、使用极低放射性材料以及采用精密的粒子鉴别技术,是当前暗物质直接探测实验应对宇宙射线干扰的主流和更有效的方法。它更像是在一个极其安静、几乎没有杂音的房间里,试图听到一个微弱的耳语,而不是试图用一层纱布去挡住一声巨响。

网友意见

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不是不能用,是不值当的。一部分高能宇宙射线的穿透能力很强,抵挡宇宙射线需要的人造屏蔽材料的厚度不会比土石地面薄太多,而人造屏蔽材料并不便宜。搞个地下隧道、深井或将废旧矿井二次利用,在达到同样屏蔽效果的时候可以节约成本,且那里的本底辐射可能比地表还弱。

保守估计,地表的环境辐射和一个成年人身体大小的物体发生的反应在每秒100次以上,一天可以累积上亿个信号,而根据目前估计的大质量弱相互作用粒子的反应截面,其每天能和成年人身体大小的物体发生的反应不足1次。干扰信号比暗物质信号多上亿倍,意味着你必须尽可能降低环境辐射和探测器本身的辐射。同时,你还不能搞得太贵了。

宇宙射线对暗物质探测器造成的影响有两个方面:

一是瞬时影响,直接打入探测器的宇宙射线产生假信号,这很容易通过在探测器周围配置宇宙线反符合探测器来去掉,但是宇宙线打入探测器周围材料产生的中子造成的假信号就难办了,探测技术很可能无法识别中子和大质量弱相互作用粒子产生的反冲核信号;

二是长时间影响,一些宇宙射线可以和打中的原子核发生反应,生成具有放射性的原子核,例如液氩暗物质探测器中的氩-39(半衰期约269年,贝塔衰变),这是液氩探测器中重要的本底辐射来源。

以中国锦屏地下实验室一期工程为例,其岩层厚度至少2400米,防御效果等效于6700米的水,空间容积约4000立方米,在内部测得的宇宙线通量为每年每平方米61.7±11.7次,差不多每星期每平方米范围内只有一个宇宙线粒子可以到达实验室。这就基本可以忽略宇宙线的瞬时影响了。

锦屏实验室周围的岩石多为大理岩,放射性同位素含量较低,其本底辐射强度是北京市地表正常环境水平的数十分之一到数百分之一。另外,为了对抗氡气聚集、降低实验室环境中的氡气含量,锦屏实验室从隧道东端洞口外取新鲜空气,经过约10千米长的通风管道送入地下。长期监测结果表明,在通风设备工作良好的情况下,实验室内氡气放射性活度约20贝克勒尔每立方米。

锦屏实验室二期工程规模要比一期扩大约30倍。整个构造都靠人造材料的话,你的预算根本就不够用。

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贵……

锦屏那个暗物质探测实验室的主要优势之一就是它选址在一个现成的隧道里面,可以省去大量成本。

这还是借用现成的隧道呢,要是从零开始建一个,那账单简直没法想象。

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