元素

液体氙探测器

暗物质是一种存在于宇宙中具有质量但不能直接观察到的物质、而检测到它的装置的一种为液体氙探测器。在这篇文章,小编准备介绍下该探测器的结构及其原理,以及使用氙的原因。

 

装置结构

检测器的结构如下图所示,中心部为液体氙(约零下100℃)、其外侧为光电倍增管。检测器的外侧用水封。

美国的液体氙探测器构造

 

测量原理是当暗物质在与氙核弹性散射时,丧失一部分能量,或与氙的电子碰撞时候产生发光现象,而该光能被光电倍增管检测到。外侧用水填充的原因是为了屏蔽伽马射线并降低干扰。造成干扰的原因有很多种,除了水之外,还使用各种屏蔽材料(如塑料板)将噪音降低到最低。

发光原理和使用氙的原因

如上所述,当暗物质进入液体氙的容器并碰撞时,产生光(S1)、同时,由于电子被撞出,并且在检测器附有电极,电子被吸引到阳极并与上部气态氙碰撞以发出延迟光 (S2)。

发光原理

使用液体氙的原因如下

  1. 产生闪烁光,其发光量很大
  2. 氙的质量很大
  3. 与氩和氪不同,氙没有长寿命同位素

对于第2点,质量越大的话屏蔽干扰的能力越强。这有助于在暗物质测定时这比液体氙区域外的干扰。对于第3点、放射性同位素39Ar有数百年、81Kr有数十万年的半衰期,这也是造成干扰的原因。而另一方面,氙没有天然的同位素,即使是人工合成的同位素半衰期也就数十天,因此来自放射性同位素的干扰很小。

氙是一种稀有气体,在空气中的浓度仅为0.087 ppm。当通过空气分离净化氧气,氮气,氩气时,通过进一步蒸馏低沸点副产物以获得高纯度氙气。因此价格高达每公斤上万人民币。在暗物质观察中,由于实验精度还取决于氙的纯度,都是通过进一步精华提高了氙的纯度

世界各地的研究活动

在世界各地,有几个小组正在以这种方式探测暗物质。在日本,在岐阜县飞弹市的神冈矿有一个XMASS实验设施,装有800公斤氙。

在意大利,有使用3吨氙的检测器,在美国,预计在2020年完成使用7至20吨氙的观测设备。尽管具有更多氙的探测器具有更高的探测灵敏度,但全世界每年仅产生40吨氙,并且对于诸如半导体制造和卫星离子发动机等其他应用的需求也在增加,因此大量的氙 采购并不容易。

另一方面,不使用氙的检测方法也被相继报道,比如最近有报道使用超流氦的研究结果, 研究人员认为,该方法也可以观察到暗物质。

相关链接

  • XMASS:除了XMASS官方网站Dark Matter的解释之外,您还可以通过VR看到设施内部,您可以看到它通过画廊连接到Super Kamiokande。 探测器具有十二面体结构而不是圆柱体。
  • The LZ Dark Matter Experiment:美国研究团队LZ官方网站
  • The XENON experiment:意大利研究团队XENON 1 T的官方网站

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