號稱在世界三大直接探測暗物質粒子實驗中靈敏度最高，有望最先捕獲暗物質中弱相互作用重粒子（WIMPs）的美國LUX-ZEPLIN（LZ）實驗近日宣布重大進展：該項目順利通過美國能源部（DOE）第三階段評審，現有技術設計方案被確定為最終版本，并正式開始建造工作。

暗物質在宇宙成分中占比高達85%，提出至今已有80年之久，但現有證據完全基于引力測量等間接觀測，還沒有獲得直接觀測的第一手資料，因此其粒子特性仍保持神秘。歐洲、中國和美國已開始布局下一代暗物質直接探測實驗，在這一基礎物理研究最前沿領域展開良性競爭，希望奪得“第一”的寶座。

LZ實驗探測裝置建在斯坦福大學地下研究設施中

LZ設計原理是，當暗物質粒子與液氙原子碰撞時，液氙腔內的電子會向頂部飄移，迅速產生閃光。這些攜帶暗物質粒子信號的光脈沖，會被排列在大型容器內的500個光擴增管捕獲。

LZ這次加快進程，力爭2020年4月前完工并投入使用，勢必會讓美國在競爭中更具優勢。

LZ實驗誕生始末

LZ實驗由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室負責管理，選址建在斯坦福大學地下研究設施（SURF）中，探測裝置將被放置在地下約1609米深處，除主要探測WIMPs，也將捎帶對軸子和中微子等展開探測。

2012年國際團隊提出，將大型地下氙（LUX）項目和液態惰性氣體閃光實驗（ZEPLIN）合二為一，組建世界上直接探測WIMPs最靈敏的LZ項目。2015年上半年，LZ通過第一階段評估，被確定為能源部項目，并隨后出臺這一階段的概念設計報告；2016年8月，LZ通過第二階段審議，望遠鏡、制造成本和時間表等關鍵議題均最終敲定；而在這次第三階段評審會上，能源部正式批準了最后設計方案，來自美國、英國、葡萄牙、俄羅斯和韓國等國37個研究機構的近220位科學家和工程師將展開合作，用7噸液氙探測銀河系暗物質與普通物質間的弱相互作用。

LZ設計原理是，當暗物質粒子與液氙原子碰撞時，液氙腔內的電子會向頂部飄移，迅速產生閃光。這些攜帶暗物質粒子信號的光脈沖，會被排列在大型容器內的500個光擴增管捕獲。

面臨兩大競爭對手

中國在暗物質直接探測領域表現出極大競爭力。位于屏錦地下實驗室的暗物質直接探測項目CDEX和PandaX近年發表了多次探測結果，其中PandaX項目也是基于液氙技術。中國還在積極推進這些實驗的二期建設，力爭5年到10年內實現最終目標：利用20噸到30噸級的液態氙實驗，探測大質量暗物質粒子；用1噸級高純鍺實驗探測輕質量暗物質；并積極參與國際合作。

歐洲下一代暗物質實驗主要基于3.5噸級液氙XENON1T和后續6噸級的XENONnT。XENON1T建造在意大利格蘭薩索國家實驗室，位于地下1400米深處，已在2015年末開始運行，但靈敏度不及已在2016年“退位”的LUX項目。而LZ的靈敏度提升為LUX的50倍，歐洲雖然在“起跑”時間上領先一步，但美國的LZ能容納10噸液態氙，且靈敏度更高，誰最先探測到WIMPs，尚難預料。

LZ項目發言人、馬里蘭大學物理學副教授卡特·霍爾表示，暗物質研究具有強大吸引力，深受全世界物理學家們追捧，因此，這類研究競爭是良性和友好的，獲得重大發現是同類研究的共同目的。

加快進程不甘落后

但競爭畢竟存在。在這么重要的領域，在同樣使用液氙探測暗物質信號中落后一步，美國當然不會心甘，因此決定加快日程，早日完工。

斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室負責為LZ實驗所用的液氙進行提純，主要去掉標準提純過程無法清除的痕量氪元素。雖然提純后的液氙目前已符合LZ實驗要求，但該實驗室還在繼續研發新方法，進一步提高氙的純度。

LZ實驗所需的線網已接受多次檢測，為確保這些線網在高壓實驗中沒有絲毫漏電，“淹沒”暗物質產生的微弱信號，全尺寸網線還將在今年晚些時候安裝到SLAC的測試平臺，進行實地測試。

為排除背景干擾，充滿液氙的大容器周圍需要環繞另一個充滿液體的容器罐和光電倍增管，這些管道將用世界上超純的金屬鈦制成，正在由英方工作人員進行組裝；另一個容器罐中的超純能閃光液體也準備就緒。具有濾塵功能的無塵工作室和無氡建筑也在加速建設當中。氡具有天然放射性，會對暗物質探測造成干擾。為排除各種背景信號，LZ實驗組考慮周全，力求完美。

因美國能源部此次承諾購買建造LZ系統的幾乎所有大型組件，參與實驗的科學家們信心倍增，并承諾會按照設定的時間表完工，第一個將暗物質信號“囊入懷中”。