暗物質(zhì)直接探測(cè)的實(shí)質(zhì)是尋找暗物質(zhì)粒子與原子核的碰撞。2.3 節(jié)中提到，運(yùn)動(dòng)的WIMP 進(jìn)入探測(cè)器內(nèi)部與探測(cè)器介質(zhì)中原子核發(fā)生相互作用，即通常我們講的相互碰撞（包括彈性碰撞或非彈性碰撞）。彈性碰撞中WIMP 將一部分能量傳遞給介質(zhì)的原子核，得到能量的原子核脫離分子或原子的束縛而離開(kāi)了原來(lái)的位置，通常稱(chēng)這個(gè)原子核為“反沖核”。

因?yàn)榉礇_核周?chē)鷽](méi)有電子，所以反沖核是帶電的“裸核”。我們無(wú)法知道暗物質(zhì)粒子WIMP 的入射， 也不知道散射后WIMP 的去向，但是我們可以通過(guò)探測(cè)反沖核來(lái)知道碰撞的發(fā)生。由此可見(jiàn)，尋找碰撞的直接探測(cè)最后歸結(jié)為對(duì)反沖核的探測(cè)。怎樣才能探測(cè)到被WIMP 反沖出來(lái)的反沖核呢？

從WIMP 那里獲得一定能量并且?guī)щ姷姆礇_核在探測(cè)器介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)發(fā)生以下幾種物理現(xiàn)象：

（1）熱振動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的反沖核會(huì)把一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)遞給附近的原子或分子，使這些分子或原子發(fā)生振動(dòng)。附加的振動(dòng)使介質(zhì)的溫度升高，稱(chēng)為熱振動(dòng)。振動(dòng)就應(yīng)該有聲音，物理學(xué)上用虛擬的“聲子”來(lái)描述這種振動(dòng)，即振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生“聲子”。

（2）電離。帶電的反沖核會(huì)把部分能量轉(zhuǎn)遞給反沖核路徑周?chē)碾娮?，得到足夠能量的電子?huì)離開(kāi)原來(lái)的原子束縛，成為自由的電子，丟掉電子的原子變成正離子，這種過(guò)程在物理學(xué)中稱(chēng)為“電離”。電離意味著反沖核會(huì)產(chǎn)生正電荷的離子和負(fù)電荷的電子，簡(jiǎn)言之，反沖核通過(guò)“電離”產(chǎn)生“電荷”。

（3）熒光。帶電的反沖核有可能把一部分能量轉(zhuǎn)遞給周?chē)慕橘|(zhì)（原子或分子），并將原子或分子激發(fā)。當(dāng)這些原子或分子退激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)射出可見(jiàn)光波段的光，或者說(shuō)是發(fā)射出可見(jiàn)光波段的“光子”。這意味著反沖核會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)光，通常叫這種光為“熒光”或“閃爍光”。

很顯然，這三種現(xiàn)象的結(jié)果可以將無(wú)法看到的微觀(guān)粒子之間的作用轉(zhuǎn)換為宏觀(guān)可觀(guān)察到的“熱振動(dòng)”“電荷”或“可見(jiàn)光”。借助對(duì)這幾種物理現(xiàn)象的觀(guān)察獲得反沖核的信息，成為我們觀(guān)察暗物質(zhì)粒子的重要手段。也可以說(shuō)，通過(guò)這些物理現(xiàn)象的觀(guān)察實(shí)現(xiàn)對(duì)WIMP 與原子核碰撞的直接探測(cè)。當(dāng)然，三種可能現(xiàn)象的發(fā)生與探測(cè)器介質(zhì)的種類(lèi)有關(guān)，有的介質(zhì)只有一種現(xiàn)象很顯著，有的介質(zhì)則可以同時(shí)發(fā)生兩種或三種現(xiàn)象。

原則上講，通過(guò)收集“電荷”“聲子”“光子”中任何一種都可以達(dá)到探測(cè)反沖核的目的。為便于規(guī)避和辨別本底事例，也可以同時(shí)收集其中兩種，如同時(shí)接收“電荷”和“聲子”或同時(shí)收集“電荷”和“光子”等。反沖核的這三種物理現(xiàn)象（或物理機(jī)制）成為設(shè)計(jì)直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。采用不同的物理現(xiàn)象，也就出現(xiàn)了不同類(lèi)型的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn) 。

圖3.1.1 所示為三種現(xiàn)象（電離、熒光和熱振動(dòng)）的示意圖以及基于不同現(xiàn)象進(jìn)行直接探測(cè)的實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)。圖中藍(lán)色表示電離，藍(lán)色箭頭所指的實(shí)驗(yàn)是只測(cè)電離的實(shí)驗(yàn)，如CDEX、CoGeNT 實(shí)驗(yàn)。圖中綠色表示閃爍光（熒光），其綠色箭頭所指的實(shí)驗(yàn)是只測(cè)熒光的實(shí)驗(yàn)，如DAMA、KIMS 等。圖中紅色表示熱振動(dòng)，紅色箭頭所指的實(shí)驗(yàn)是只測(cè)熱振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，如COUPP、Picasso。有兩種不同顏色箭頭所指的實(shí)驗(yàn)表示同時(shí)測(cè)量?jī)煞N量的實(shí)驗(yàn)，如 SCDMS（Super CDMS）、EDELWEISS等同時(shí)測(cè)量電荷和熱振動(dòng)； XENON、PandaX 等同時(shí)測(cè)量電荷和熒光；CRESST-Ⅱ、ROSEBUD 既測(cè)量熒光又測(cè)量熱振動(dòng)。

為能實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到這些現(xiàn)象的稀有事例，必須剔除或識(shí)別大量本底事例。 如何在大量本底事例中辨別暗物質(zhì)粒子事件成為關(guān)鍵課題。所以，探測(cè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)必須在考慮高效探測(cè)的同時(shí)還需要有好的辨別暗物質(zhì)粒子事件的能力。前面已經(jīng)講過(guò)三種辨別暗物質(zhì)粒子事件的方法：一是通過(guò)WIMP 與原子核作用的單個(gè)事件來(lái)求證暗物質(zhì)的存在，這種方法必須有很好的辨別和甄別本底事例的能力, 如CDMS、XENON 等實(shí)驗(yàn)；二是依據(jù)WIMP 反沖核的能譜與本底能譜的差別，通過(guò)反沖核的能譜測(cè)量來(lái)辨別WIMP 事例，如CDEX 等實(shí)驗(yàn)；三是通過(guò)前面講的年調(diào)制效應(yīng)或日調(diào)制效應(yīng)來(lái)發(fā)現(xiàn)WIMP 與原子核的作用事件，如DAMMA、KIMs 實(shí)驗(yàn)。

由此可見(jiàn)，直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子WIMP 分兩個(gè)步驟：首先我們借助探測(cè)“電子”（電荷）、“聲子”（熱振動(dòng)）或“光子”（可見(jiàn)光）來(lái)探知反沖核；然后再由反沖核的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)暗物質(zhì)粒子WIMP 的探測(cè)。以上物理現(xiàn)象都是我們熟知的物理過(guò)程，“電荷”“熱”及“可見(jiàn)光”又都是宏觀(guān)的物理量，是很容易測(cè)量的物理量。

但是，反沖核從WIMP 那里得到的能量很小，由它產(chǎn)生的“電荷”“可見(jiàn)光”“聲子”的數(shù)量都極少，相應(yīng)的“電壓幅度”和“溫度”變化也極低，如溫度的升高只有熱力學(xué)溫標(biāo)的千分之幾度（mK））, 電壓幅度變化在毫伏量級(jí)（mV）。給探測(cè)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

另外，各種環(huán)境輻射（如γ 射線(xiàn)、中子等）及宇宙線(xiàn)與原子核外面的電子或原子核發(fā)生作用同樣會(huì)產(chǎn)生大量“電荷”“聲子”（溫度）或“光子”等。圖3.1.2 是WIMP 及中子與核的作用及其本底γ 射線(xiàn)與原子外層電子作用的示意圖。

不難看出，γ 射線(xiàn)將電子反沖出來(lái)造成的本底是電子反沖事例，中子本底和WIMP 一樣是核反沖事例。一方面，本底γ 射線(xiàn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于WIMP，另一方面它與介質(zhì)原子的作用是電磁作用，其作用強(qiáng)度比弱作用要高十幾個(gè)量級(jí)（作用概率高十幾個(gè)量級(jí)）。這意味著即使強(qiáng)度一樣，其本底事例要比WIMP 事例要高十幾個(gè)量級(jí)。如果不采取措施，在高幾十個(gè)量級(jí)的本底事例中尋找WIPM 比在大海里撈針還難。所以，極大地規(guī)避和辨別這些γ 本底是極其重要的，也是偵測(cè)暗物質(zhì)粒子的關(guān)鍵。另外，中子本底與WIMP 事件都是核反沖，無(wú)法區(qū)分。而中子與核的作用是強(qiáng)相互作用，作用概率極高。減少甚至完全消除中子進(jìn)入探測(cè)器更是必需的。

需要在很深的地下進(jìn)行

宇宙線(xiàn)的粒子能量很高，有很強(qiáng)的穿透力。而且宇宙線(xiàn)無(wú)處不在，無(wú)時(shí)不在，它會(huì)在探測(cè)器上及探測(cè)器周?chē)a(chǎn)生次級(jí)粒子或輻射等。宇宙線(xiàn)將探測(cè)器介質(zhì)及其周?chē)镔|(zhì)轉(zhuǎn)變成放射性物質(zhì)（物理上稱(chēng)為“活化”），這些被活化的放射性物質(zhì)不斷地輻射出伽馬射線(xiàn)或其他粒子（如α 粒子、β 電子等）。這些次級(jí)粒子或伽馬輻射會(huì)不定時(shí)地進(jìn)入探測(cè)器并嚴(yán)重干擾對(duì)暗物質(zhì)的探測(cè)。所以，直接探測(cè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)一般都在較深的地下進(jìn)行，這樣可以避免宇宙線(xiàn)本底和由它產(chǎn)生的次級(jí)粒子或輻射本底。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)室越深，宇宙線(xiàn)的通量越少。 圖3.1.3 給出了地下不同深度的宇宙線(xiàn)通量和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室名稱(chēng)。2km 巖石（相當(dāng)于6km 水深）下宇宙線(xiàn)通量比地表面減少近5 個(gè)量級(jí)。

暗物質(zhì)直接偵測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的要求歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

（1）有足夠的深度和足夠大的空間，一般都在500m 以上的深度，宇宙線(xiàn)的通量隨深度的增加而迅速減少。

（2）地下實(shí)驗(yàn)室周?chē)鷰r石的輻射水平要低，即周?chē)姆派渚€(xiàn)本底要低。

（3）氡氣是放射性氣體，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣中氡的含量要低。

（4）地下能滿(mǎn)足普通實(shí)驗(yàn)室所需要的水、電、氣、暖、通信等方面的要求。

（5）地下實(shí)驗(yàn)室附近有好的交通、居住、飲食等生活條件，便于科研人員的生活和工作。

這里必須指出，雖然為了減少宇宙線(xiàn)而將偵測(cè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)安排在很深的地下，但這不會(huì)影響對(duì)暗物質(zhì)粒子WIMP 的探尋，因?yàn)閃IMP 比宇宙線(xiàn)有更強(qiáng)的穿透能力，不會(huì)受到任何影響地進(jìn)入“地下”。

國(guó)際上研究暗物質(zhì)的地下實(shí)驗(yàn)室有十多個(gè)，空間大小差別很大（從幾百立方米到十幾萬(wàn)立方米），巖石覆蓋的厚度大不相同（從幾百米深到兩千多米深）。不少實(shí)驗(yàn)室除暗物質(zhì)研究外還有中微子、雙β 衰變等稀有事例的低本底基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究、地球科學(xué)、巖土力學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)等科學(xué)研究。此外，地下實(shí)驗(yàn)室也是很好的低放射性本底測(cè)量環(huán)境。

國(guó)際上有名的地下實(shí)驗(yàn)室有意大利的格蘭薩索（ Gran Sasso）、英國(guó)的伯比（Boulby）、法國(guó)的摩丹（Modane）、美國(guó)的杜塞爾(Dusel) 和蘇丹（Soudan）、西班牙的坎夫蘭克（Canfranc）、加拿大的斯諾（SNO）、日本的神崗（Kamioka）和 韓國(guó)的襄陽(yáng)（Yangyang）等。我國(guó)于2010 年新開(kāi)辟了錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（CJPL）。圖3.1.4 給出了分布在世界各地的這些實(shí)驗(yàn)室名稱(chēng)和實(shí)驗(yàn)室中的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。表3.1.1 給出了國(guó)際上主要暗物質(zhì)探索研究的地下實(shí)驗(yàn)室所在國(guó)家和巖石覆蓋厚度，可分為隧道型和豎井型兩種類(lèi)型。

圖3.1.5 為摩丹地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部照片。實(shí)驗(yàn)室位于法國(guó)東部里昂，在法國(guó)和意大利接壤的阿爾卑斯山的交通隧道內(nèi)。隧道的一邊是法國(guó)，另一邊通向意大利，全長(zhǎng)13km。從法國(guó)一端開(kāi)車(chē)15 分鐘可到達(dá)隧道內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室埋深1700m，總?cè)莘e3500m3，面積400m2，宇宙線(xiàn)通量為4×10^-5μ·m^-2·s^-1。經(jīng)過(guò)過(guò)濾的新鮮空氣經(jīng)兩個(gè)豎井通風(fēng)管道送進(jìn)地下實(shí)驗(yàn)室，不僅提供了新鮮空氣，更重要的是降低了放射性氡氣的濃度，減少了氡給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的輻射本底。實(shí)驗(yàn)室中氡的濃度為15~20Bq/m3（每立方米體積中氡的放射性衰變15~20 次/ 秒）。

中子本底也不高，快中子的通量為4×10^-2m^-2·s^-1, 熱中子的通量為1.6×10^-22m^-2·s^-1。地下實(shí)驗(yàn)室外有地上洞口實(shí)驗(yàn)室、辦公室、車(chē)庫(kù)、客房等。目前開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)有暗物質(zhì)和雙β 衰變研究等。該實(shí)驗(yàn)室是1980 年為質(zhì)子衰變實(shí)驗(yàn)建造的，1998 年開(kāi)始暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。為適應(yīng)科學(xué)研究的需求，計(jì)劃擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室空間至6 萬(wàn)m3。

圖3.1.6 所示為意大利的格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室布局的示意圖。實(shí)驗(yàn)室隸屬意大利國(guó)家核子物理研究所，距羅馬120km。該實(shí)驗(yàn)室建在地下1400m 的隧道中, 是全球最大的地下基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室。除輔助廳外有三個(gè)主要實(shí)驗(yàn)大廳，每個(gè)主廳的尺寸為100m×20m×18m。整個(gè)實(shí)驗(yàn)室總面積達(dá)17300㎡，總?cè)莘e達(dá)18 萬(wàn)m3，聚集了來(lái)自29 個(gè)國(guó)家的粒子物理實(shí)驗(yàn)、粒子天體物理與核天體物理領(lǐng)域的九百多名科學(xué)家。目前，探測(cè)暗物質(zhì)和探測(cè)中微子等15 個(gè)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行，如暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)DAMA、XENON100、WARP，中微子實(shí)驗(yàn) BOREXINO、LVD，以及測(cè)量中微子質(zhì)量的雙β 衰變實(shí)驗(yàn)CUORE、GERDA、Cobra 等。圖3.1.7 為格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳的局部照片。

必須進(jìn)行極其嚴(yán)密的輻射屏蔽

雖然很深的地下可以有效地減少或消除宇宙線(xiàn)及其所產(chǎn)生的次級(jí)本底的影響，但是地下的巖石、泥土中的放射性物質(zhì)仍然和地表一樣的多。我們知道，地球上的放射性元素?zé)o處不在（如鈾、釷、鉀等），它們的壽命很長(zhǎng)，幾乎與地球的年齡差不多，至今這些元素還在不斷地放射出大量的α、β、γ 等射線(xiàn)，甚至釋放出中子。這些中子或射線(xiàn)等進(jìn)入探測(cè)器都有可能被誤認(rèn)為是WIMP，成為干擾暗物質(zhì)粒子探測(cè)的大量本底事例。

地下屏蔽很好的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，1kg 探測(cè)器的本底事例率是1~10/s，而暗物質(zhì)的事例率只有0.01~0.1/d，本底要高好幾個(gè)量級(jí)。必須對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)設(shè)備做特別的輻射屏蔽，設(shè)法把這些射線(xiàn)、中子等徹底阻擋在探測(cè)器外面。

一些元素放射出的帶電粒子（如β（電子）、α 等帶電粒子）都不是大問(wèn)題，很容易被阻擋，只要薄薄一層金屬或塑料就可以。但是，阻擋較高能量的γ 射線(xiàn)和中子就不是那么容易了。

γ 射線(xiàn)可被厚厚的高原子序數(shù)（高Z）材料所阻擋，阻擋γ 射線(xiàn)最有效的材料是重金屬材料高Z 材料（如鉛、鎢等）。

阻擋中子需要分兩步：第一步將中子慢化，即先讓中子慢下來(lái)，所用的材料是原子序數(shù)低的輕材料，如通常用的聚乙烯、石蠟、水等；第二步是將慢化了的中子“吸收”掉，能“吸收”掉中子的材料很多，如硼、鎘等。 不過(guò)，雖然將中子吸收了，但又會(huì)產(chǎn)生出次級(jí)的γ 射線(xiàn)。 我們還必須再用高Z 的重材料把這部分γ 射線(xiàn)阻擋在外。

當(dāng)然，用來(lái)阻擋輻射的材料本身不能再有伽馬或中子等放射性，應(yīng)該是很純的幾乎沒(méi)有任何放射性本底的材料，如高純無(wú)氧銅等。但是，高純無(wú)氧銅十分昂貴，只能應(yīng)用在最關(guān)鍵的地方。

由此可見(jiàn)，必須采用多層的不同用途的材料按照一定厚度、一定次序包圍在探測(cè)器外面，構(gòu)成一個(gè)從里到外的阻擋外來(lái)輻射本底的“堡壘”。我們通常稱(chēng)這個(gè)“堡壘”為屏蔽體系統(tǒng)。很顯然，越是靠近探測(cè)器的屏蔽體，純度應(yīng)該越高。因?yàn)槔锩娴钠帘误w還能阻擋一些外部屏蔽體的放射性，而靠近探測(cè)器的屏蔽體的本底輻射再?zèng)]有辦法去除了。這種被動(dòng)地阻擋或“吸收”掉外來(lái)輻射的辦法稱(chēng)為“被動(dòng)屏蔽”。

一般屏蔽體系統(tǒng)的典型安排如圖3.1.8 所示，從外到里分別為鉛層、聚乙烯、含硼聚乙烯、高純無(wú)氧銅，最里面是安排探測(cè)器的空間。鉛除阻擋外來(lái)帶電或中性粒子外，主要阻擋外來(lái)的伽馬射線(xiàn)。聚乙烯實(shí)現(xiàn)對(duì)外來(lái)中子（也包括伽馬射線(xiàn)在鉛層內(nèi)產(chǎn)生的中子）的慢化；含硼聚乙烯中的硼既能“慢化”中子又能“吸收”中子。含硼聚乙烯層在“吸收”中子的同時(shí)會(huì)有伽馬射線(xiàn)產(chǎn)生，所以最里層安排了比較厚的無(wú)氧銅來(lái)阻擋所有企圖進(jìn)入探測(cè)器空間的射線(xiàn)或粒子。這種屏蔽安排又稱(chēng)“被動(dòng)屏蔽”。

當(dāng)然，不太深的地下實(shí)驗(yàn)室還是有不少的宇宙線(xiàn)，而且能量很高。再厚的屏蔽體也阻擋不了這些宇宙線(xiàn)。既然擋不住，就設(shè)法把它們記錄下來(lái)，而后在分析數(shù)據(jù)時(shí)將其影響扣除。這種方法稱(chēng)為“主動(dòng)屏蔽”。經(jīng)常在“ 被動(dòng)屏蔽”體的外面安排專(zhuān)門(mén)探測(cè)和記錄宇宙線(xiàn)粒子的探測(cè)器，將宇宙線(xiàn)實(shí)時(shí)探測(cè)與記錄下來(lái)。圖3.1.9 為韓國(guó) KIMs 暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的屏蔽體和宇宙線(xiàn)粒子探測(cè)器的照片，圖中藍(lán)色部分就是包在屏蔽體外面專(zhuān)門(mén)探測(cè)宇宙線(xiàn)粒子的液體閃爍探測(cè)器。宇宙線(xiàn)在進(jìn)入“被動(dòng)屏蔽”體或暗物質(zhì)探測(cè)器之前必將先穿過(guò)閃爍探測(cè)器，該閃爍探測(cè)器將告訴我們宇宙線(xiàn)進(jìn)入的時(shí)間和地點(diǎn)。在時(shí)間上與宇宙線(xiàn)信號(hào)相關(guān)事例很可能就是宇宙線(xiàn)產(chǎn)生的本底事例，必須在實(shí)驗(yàn)中扣除。

氡氣從巖石中出來(lái)擴(kuò)散到實(shí)驗(yàn)室的空氣中。 氡氣是一種放射性氣體，會(huì)不斷地輻射出伽馬射線(xiàn)等。氡氣進(jìn)入探測(cè)器空隙中也會(huì)形成本底信號(hào)，成為特別的輻射本底來(lái)源。所以，一方面要避免氡的聚集，另一方面要防止氡氣進(jìn)入屏蔽體內(nèi)的探測(cè)器空隙中。為此，要不斷地把外界新鮮的空氣引入實(shí)驗(yàn)室，減少實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氡氣含量；同時(shí)要用高純的氮?dú)獍烟綔y(cè)器空隙中的氡趕走。