浙江
在地球深处，一项重大物理实验成功将探测系统冷却到接近绝对零度，向破解暗物质这一宇宙最大谜团之一迈出关键一步。位于加拿大一座仍在开采的镍矿深井中的“超低温暗物质探测”（Super Cryogenic Dark Matter Search，SuperCDMS）实验，近日正式达到工作基准温度，其超高灵敏度探测器也随之“点火”启动，开始面向未知宇宙展开观测。
研究团队介绍，整个系统的运行温度仅比绝对零度高出几千分之一摄氏度，远远低于深空温度，是人类迄今建成的最寒冷实验装置之一。在如此极端低温下，材料内部由热运动引起的背景噪声几乎完全被“冻住”，为捕捉极其微弱、极其罕见的粒子信号提供了近乎“寂静”的环境。这一里程碑标志着 SuperCDMS 从漫长的建设阶段正式转入科学运行阶段，科研人员将借此探索此前从未被直接观测过的宇宙区域。
SuperCDMS 的目标是直接探测暗物质候选粒子，特别是所谓“弱相互作用大质量粒子”（WIMPs）。目前的宇宙学模型认为，暗物质约占宇宙总物质含量的 85%，但人类从未在实验室中直接“看见”它，只能通过其对星系旋转、宇宙大尺度结构等引力效应推断其存在。如果暗物质粒子如理论所示不断穿过地球，那么 SuperCDMS 这样的实验就有可能记录到它们与普通物质原子晶格发生极少数碰撞的瞬间。
在 SuperCDMS 的设计中，当一枚暗物质粒子撞击探测器中晶体材料的原子时，将激发晶格产生微弱振动，同时在晶体内部激发极小数量的电子，这两条信号通道可共同用来判断一次真实的粒子碰撞事件是否发生。为了让这种极弱信号不被淹没，实验不仅依靠超低温，还必须最大限度压制来自环境的各种“本底噪声”。
来自明尼苏达大学的科研团队负责设计、采购并搭建了一套低本底屏蔽系统，为探测器营造一个尽可能远离天然放射性和宇宙线次级粒子干扰的“安静”空间。该屏蔽结构为一个高约 4 米、直径约 4 米的圆柱形封闭装置，外层采用超高纯度铅来吸收伽马射线，内层则使用高密度聚乙烯材料来削弱由宇宙射线在洞壁中激发的中子通量。
SuperCDMS 选址于加拿大安大略省萨德伯里附近 SNOLAB 地下实验室，实验大厅位于地表以下约 6800 英尺（约 2.1 公里），由一座在产镍矿改造而成。如此巨大的岩层屏蔽大幅削弱了地面宇宙射线带来的背景事件，使得探测器能专注于捕捉理论预期中极为稀少的暗物质相互作用痕迹。
“达到基准温度，是我们为建设这一低本底装置所做多年努力中的关键节点。”SuperCDMS 发言人、明尼苏达大学物理与天文学学院教授 Priscilla Cushman 表示。“在这样的极低温环境下，我们安装好的探测器终于可以开始扫描一片全新的参数空间，在那里，最轻的暗物质粒子或许正在潜伏。”
目前，实验已从冷却阶段转入探测器调试阶段，该过程预计需要数月时间，期间研究人员将逐个通道进行激活、标定和性能微调。除了暗物质本身，SuperCDMS 还可用于研究稀有同位素的衰变现象、探索此前从未被精确测量过的能区，并有望揭示新的粒子相互作用形式。
在数据分析方面，明尼苏达大学团队还开发了先进的事例重建算法和分析方法，以便在数据正式采集后，能够尽快从海量记录中筛出可能的暗物质候选信号。该校物理与天文学学院助理教授 Yan Liu 担任分析工作组主席，在整个国际合作中扮演关键角色。团队成员还包括多名博士后、科研人员及研究生，覆盖从实验运行到数据处理的各个环节。
SuperCDMS 项目由多个机构联合资助，包括美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会、加拿大创新基金会以及加拿大自然科学与工程研究委员会等，体现了北美在暗物质直接探测方向上的持续投入。随着探测器在未来几个月全面投入科学观测，研究人员期待，这座“比外太空还要冷数百倍”的地下实验装置，能为人类揭示暗物质的真实面貌，乃至推动我们对宇宙构成的基本认识发生改变。
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