暗物质发现之战：志在必得的女性物理学家
胡奂晨 | 翻译
曼哈顿的摩天大楼就像一支干草叉军队，攻击着笼罩在纽约市 上空的乌云。预计当天晚些时候会下雪，但此时此刻，帝国大厦、克莱斯勒大厦、公园大道 432 号和世界贸易中心一号楼偶尔会捕捉到1月份的短暂阳光。
“真是绝妙的景色，”埃伦娜·阿普里莱（Elena Aprile）带着亲切的意大利口音说道，“我永远不会对此感到厌倦。”我们在她的布鲁克林公寓楼的 46 层的空中休息室见面。采访结束后，她在自己雅致的厨房里给我做了一杯非常好的浓缩咖啡，并给我看了她第一个外孙的照片——“看到自己的女儿当妈妈真是太棒了”。她又给我看了一张照片，那是她在 20 世纪 70 年代后期的照片，那时她 23 岁。她当时在CERN，年轻而雄心勃勃——她的原话。
作为XENON 暗物质实验的开创者和长期代言人，她依旧雄心勃勃、热情高涨。阿普里莱一直想比其他人做得更好。她目前并没有发现暗物质。但是，这件事随时可能发生，而且最好是她的新XENONnT 探测器做出值得诺贝尔奖的发现。
因为阿普里莱并不是唯一一个对运气、名望和获奖梦寐以求的人。在美国和中国，其他团队也在争夺同样的突破，使用同样的液氙（读音xiān）技术。他们是阿普里莱曾经的合作者、她培养出来的人，甚至其中有人是她的前夫。如果这是一场战争，她志在必得，一如既往地要成为最好的那个。
真是一个非常有个性的人，就像XENONnT 的技术协调员奥克·彼得·科莱恩在我访问格兰萨索国家实验室时告诉我的那样。
埃伦娜·阿普里莱出生于米兰，年轻而好奇的她在那不勒斯大学学习物理。在她大三的时候，她申请了CERN 的暑期项目。被选中并分配到卡洛·鲁比亚的研究组是她人生中截至当时发生的最好的事情，尽管鲁比亚是一个相当有胁迫力的人，尤其是对待女性。那是在1977年 5 月，也就是他成为诺贝尔奖得主和CERN 总干事的几年前。
抛开这些权力和性别的问题不谈，CERN 是科学的天堂，也是通向国际物理学的门户。因此，阿普里莱从未真正回到意大利，也没有回到男朋友的身边。她在鲁比亚那里待了半年多，结识了德国物理学家卡尔·吉博尼（Karl Giboni），并于1981年在日内瓦大学攻读博士学位期间与他结了婚。
1983年，鲁比亚为阿普里莱和吉博尼提供了他在哈佛大学的研究组的博士后职位，从事研究质子的可能衰变的地下实验。慢慢地，她进入了这个以男性为主的团体。但是，为鲁比亚工作是很累的。在他因发现W 玻色子和Z 玻色子而与他人共同获得1984年的诺贝尔奖后，他变得更难对付了。他可能从欧洲飞来—有时，人们开玩笑说鲁比亚半辈子都在商务舱里度过—与阿普里莱和吉博尼共进晚餐，告诉他们做错了什么，哪里失败了，让他们感觉很糟糕，然后飞回日内瓦。1985 年年底的时候，吉博尼受够了。他跟鲁比亚说“我不干了”，然后接受了纽约一家公司的研究职位。阿普里莱于1986年1月离开哈佛大学，加入哥伦比亚大学物理系。
哥伦比亚大学是她对液态惰性气体产生热爱的地方。首先，她建造了基于氩的中微子探测器。接下来她又建造了使用氙作为探测器液体的气球式伽马射线望远镜。2001 年，当她开始寻找有更好资金前景的项目时，她对一项英国的实验产生了兴趣，该实验使用液态氙来寻找暗物质。
英国的ZEPLIN（全称意为“液体惰性气体中的比例闪烁”，这又是一个拙劣的首字母缩写）实验是由英国暗物质合作组织提出的。在英格兰东北部布尔比村钾盐矿的地下1100米处，屏蔽了来自上方的宇宙射线的持续轰击，科学家们正一丝不苟地监测装满1升（约3千克）超冷液态氙的小容器。他们的目的是探测原子核和WIMP（弱相互作用大质量粒子）之间极其罕见的相互作用。这些弱相互作用大质量粒子被认为构成了神秘的、看不见的东西，占宇宙中大部分引力质量。一个更新、更大、更灵敏的探测器正在建造，帝国理工学院的物理学家甚至还在筹划ZEPLIN三期。显然，这里有一些可以竞争和需要战胜的事情。
2001 年夏天，在科罗拉多州阿斯彭举行的一场大型物理学会议上，阿普里莱听说了暗物质这个题目，但当时的她对此知之甚少。同年，她写了一份提案，向美国国家科学基金会申请资金研发探测器。
资金到位了，现在阿普里莱负责她自己的暗物质探测实验，即XENON 项目。顺便说一句，这对她的个人生活并不健康。1996 年，吉博尼结束了他 10 年的业界生涯，以高级研究科学家的身份加入他妻子在哥伦比亚大学的工作。到了 2001 年，阿普里莱成为哥伦比亚大学的正教授，而吉博尼仍在为她工作。对于XENON 项目来说，他们的合作卓有成效，但对于他们的婚姻来说，情况就不是这样了。这又是一次性别和权力的较量。
“我的理解是，有得必有失。”阿普里莱凝望着空中休息室的大窗户说道。在东河的对岸，最高的摩天大楼的顶部开始消失在灰色的云层中。“我在工作上很成功，在个人生活中却是失败的。在这个过程中，我失去了我的丈夫。”
XENON 团队的另外两名成员是布朗大学的物理学家理查德·盖茨克尔和他在普林斯顿大学的同事托马斯·舒特（Thomas Shutt）。盖茨克尔和舒特曾在“低温暗物质搜索项目”中共事，这是一个使用半导体探测器的实验（后面会有详细介绍）。盖茨克尔和舒特对液态氙的前景感到兴奋。
在建造了一个名为XENON3 的 3 千克概念验证探测器后，他们计划研发世界上最灵敏的液态氙暗物质实验，一举超过英国的竞争对手。当然，就像ZEPLIN一样，新的探测器必须屏蔽宇宙射线，所以阿普里莱、吉博尼、盖茨克尔和舒特开始了寻找合适地下物理实验室的侦察之旅—换句话说，就是寻找一个足够深的矿井。
加拿大安大略省萨德伯里附近年头已久的克里顿镍矿是一个可能的选项。克里顿已经是一个名为SNOLAB 的中微子物理学实验室的所在地，它的深度超过两千米，并且相对靠近美国东海岸，那里是各种团队成员的基地。同时，盖茨克尔和舒特一直在明尼苏达州苏丹铁矿进行低温实验——虽然距离较远，却是熟悉的地方。位于南达科他州利德市的霍姆斯特克金矿是另一个候选地点，一个中微子实验自 20 世纪 60 年代末以来一直在那里进行。然后，还有新墨西哥州的废物隔离试验厂，这是一个放射性废料的深层地质储存库。还有，为什么不去欧洲呢？即使你与ZEPLIN团队竞争，你也可以将你的实验基地设在北约克沼泽国家公园的同一个布尔比矿中。最后，在阿普里莱的家乡意大利，舒特正在格兰萨索隧道进行Borexino 中微子实验，这是阿普里莱和吉博尼所熟知的地点，因为他们参与了ICARUS（成像宇宙和罕见的地下信号），另一个中微子实验，其发起人是卡洛·鲁比亚。
最后，出于一些实际因素的考量，他们选择了格兰萨索实验室——没错儿，他们还拿文化、美食和气候开玩笑。阿普里莱的国家科学基金会资金和盖茨克尔的能源部资金使XENON10 得以迅速建成，这个名字为人们所牢记，虽然该实验最终是在一个比1加仑油漆罐稍大的圆柱形容器中装了15千克的液态氙。该探测器是在哥伦比亚大学的尼维斯实验室建造的，然后被运往意大利，并在2006
XENON10 的开发和部署是一场过山车般的疯狂经历。该团队每天工作18 个小时，同时保持低调，不希望被物理学界关注到。因此，当他们于 2007 年公布并于 2008 年 1 月在《物理评论快报》上发表第一批结果时，全世界都大吃一惊。不过，XENON10 没有探测到WIMP，它没有探测到任何令人意外的东西。但是，几乎在一夜之间，它就成了迄今为止最灵敏的暗物质实验。因此，它为WIMP的相互作用率提供了重要的新上限，约束了以前从未被实验检验的理论模型。
为了理解预期的WIMP相互作用率，你必须认识到，太阳和地球在围绕银河系中心运转的 2.5 亿年的轨道上，以大约每秒 220 千米的速度，或几乎每小时80万千米的速度，穿过暗物质粒子的静态晕。如果暗物质由WIMP组成，并且如果每个WIMP粒子的质量是质子的 100 倍，那么平均而言，每一块和魔方差不多大的体积中就有一颗暗物质粒子。但是由于它们的相对速度，几乎每秒钟都有 10 亿颗WIMP粒子穿过你的身体。
WIMP感觉不到电磁力，所以它们不会与电子发生作用。然而，它们确实可以感受到弱核力，而且预计它们会非常零星地与原子核碰撞，并与组成原子核的夸克发生作用。为了探测这种相互作用，你需要密切观察大量的原子核，去除或至少识别每一种可能的干扰背景信号，并耐心等待。液态氙（零下95摄氏度）被证明是检测这种碰撞的完美的目标材料，因为它几乎没有天然放射性，否则将破坏观测结果。
以下是实际检测的工作原理。当一个氙核被一个WIMP击中时，它会发生振动。在一个很小的区域内，氙原子因此失去了一些电子（这个过程被称为电离），并短暂地进入一个激发的类分子的状态。当一切再次恢复正常时，一次微弱的紫外线闪光将在 178 纳米的波长下发射出来，它被称为闪烁信号，持续时间不超过 20 纳秒。这个微弱的信号可以被安装在圆柱形氙容器顶部和底部的光电倍增管记录下来，每根管的灵敏度足以检测到单个光子。
其中最大的问题是，更平凡的（且更频繁的）相互作用会产生类似的激发作用和类似的闪烁信号，而且波长相同。当然，实验人员在尽其所能地保护探测器不受宇宙射线的影响，并净化氙。但是，没有什么是完美的，你永远无法摆脱所有不需要的背景信号。
由于液态氙具有对这些背景信号的自我屏蔽能力，WIMP猎手们对来自目标核心处的闪烁特别感兴趣：与来自边缘的信号相比，来自氙容器中心区域的信号产生自背景事件的概率更低。但是，仅仅记录一次短暂的紫外线闪光并不能给你提供有价值的信息。因此，阿普里莱和她的团队建造了一个双相探测器，这是ZEPLIN二期首创的设计。
“双相”指的是氙同时存在于液相和更常见的气相中。在一个双相探测器中，第二个信号会在液体上面的气态氙薄层中产生。正如我们所见，由于WIMP的相互作用，氙核会失去一些电子。在探测器周围竖直方向的强电场的推动下，这些带负电的电子以大约每秒两千米的速度从相互作用点竖直向上漂移。电子到达液体氙和气态氙之间的界面时，会被提取并被更强的电场加速，导致气体中出现一微秒的电致发光——与霓虹灯发光的过程相同。
因此，氙容器中的每一次相互作用都会产生两个不同的信号：在相互作用的粒子撞击氙的瞬间出现的非常短暂的闪烁，随后是持续时间更长的电致发光。这两个信号之间的时间延迟能够告诉你探测器中发生相互作用的深度。将这一信息与探测器顶部和底部的每个光电倍增管所观测到的光子数量结合起来，你就可以得到梦寐以求的相互作用的三维位置。此外，这两个信号的相对强度可进一步帮助你区分WIMP相互作用（如果它们发生了的话）和由背景β 粒子或伽马射线引起的事件。
如果这听上去很复杂，那也是因为事实确实如此。但是实验物理学家喜欢挑战，还有什么比设计和建造最灵敏的探测器以揭开自然界最不为人知的秘密更令人兴奋、更值得的呢？至少，这种想要了解物理世界的冲动，自盖茨克尔的孩提时代起就一直激励着他。当小理查德 8 岁时，他的母亲曾经发现他光着身子坐在浴缸里，用永久性记号笔在浴室的瓷砖上画线，并试图计算水流的轨迹。
在我拜访盖茨克尔在罗得岛州普罗维登斯办公室的几周前，他在犹他州滑雪时遇到了物理学的另一个谜题：重力。他将受伤的腿用一个小转椅支着，给我递来咖啡，伸手去拿几乎隐藏在一堆文件和杂志下面的一个小盒子。他拿出一块12 克的超高纯度的铌晶体，只有扑克牌大小。他说：“这就是一切的开始。”
盖茨克尔的第一份工作与搜寻粒子毫无关系：在获得牛津大学的物理学硕士学位后，这位英国人在伦敦的摩根格伦费尔公司做了 4 年的投资银行家。1989 年，他得出结论，经济学对他来说在智力上不够有挑战性，于是，他回到了牛津大学，与他的论文导师诺曼·布斯（Norman Booth）一起研究铌晶体。1995 年，也就是获得博士学位两年后，盖茨克尔搬到了加州大学伯克利分校的粒子天体物理学中心，那里当时是暗物质探测的中心。
盖茨克尔与暗物质之间的联系是半导体，铌就是其中的一个例子。与液态氙一样，半导体晶体被冷却到绝对零度以上几千分之一度时，可以用来探测暗物质。理论上，一个WIMP粒子穿过晶体时，可能会在途中撞上原子核。附在晶体上的超级灵敏的超导探测器可以记录由此产生的振动和电荷位移。用厚厚的铅层包裹住低温装置来冷却晶体，从而尽可能多地阻隔自然放射性，再将整个装置放入深深的矿井中来屏蔽宇宙射线，你就可以开始工作了。
作为半导体晶体方面的专家，盖茨克尔来到伯克利，与伯纳德·萨杜莱的低温暗物质搜索小组一起工作，他们正在使用一叠曲棍球大小的锗和硅晶体——与计算机芯片技术和太阳能电池中使用的半导体材料相同。在决定换方向之前，盖茨克尔在超净室中花了几年时间处理这些晶体，在旧金山湾另一侧的斯坦福地下浅层设施中测试它们。要建更大的探测器，需要花费太多的精力和体力劳动，而这是使它们更灵敏的唯一方法。因此，他在 2001 年搬到布朗大学后联系了哥伦比亚大学的阿普里莱。
“我意识到这不会是短跑，”他说，“更像是马拉松，每一个新的里程都比前一个更难。每一个阶段，你都需要更健壮的腿，也就是更大的探测器。”氙的使用提供了这种可能性。盖茨克尔对暗物质了如指掌，阿普里莱对液态惰性气体一清二楚——这似乎是完美的搭配。
但事实并非如此。2007 年，完成了XENON10 之后，在其后续XENON100 的设计阶段，他们的合作破裂了——更确切地说，是爆炸了。盖茨克尔和阿普里莱是两个同样个性强烈和雄心勃勃的人。他们几乎在每一件事情上都有分歧，包括运行一个大型国际项目的最佳方式，尤其在是否希望将实验移回美国这一点上。
得益于来自南达科他州的商人及慈善家丹尼·桑福德（Denny Sanford）的 7000 万美元赠款，将南达科他州黑山的霍姆斯特克金矿变成物理实验室的旧计划终于可以实现了。2007 年，盖茨克尔和舒特想在矿区建造下一个液氙探测器。在XENON 合作项目中的 7 个美国团队中，有 4 个团队同意加入——在你的祖国“就近”开展工作比往返欧洲更有效率。而阿普里莱坚持留在意大利。XENON100 正在建造之中，它最终装配了 165 千克液态氙。而格兰萨索实验室是现成的，她想保持这个势头。她想成为第一个，也是最好的一个。对暗物质的直接探测指日可待，浪费任何时间都是愚蠢的。
于是盖茨克尔和舒特回到了美国，开始在全新的桑福德地下研究所开发他们自己的大型地下氙暗物质实验（LUX）。最终，他们组建了一个由来自 27 个机构的 100 多名物理学家组成的小组。诚然，他们在这个过程中多花了两三年的时间，但是LUX 比XENON100 更灵敏，它拥有 370 千克（超过 100 升）的靶材料，用 26 万升的水屏蔽着，以防止有不必要的中子进入。其建设工作于 2009 年开始，2012 年在 1 480 米深的桑福德实验室进行了部署，2013 年，团队获得了第一批数据，就在阿普里莱团队发表从XENON100 发现得出的WIMP相互作用率的新限制后一年。“一切都非常顺利，”盖茨克尔说，“我们彻底击垮了所有人。”
现在，比赛真的开始了。2014 年，吸引了来自欧洲各国的新研究小组的XENON 合作项目，开始建造一个更大的探测器。一个洗衣机大小的氙容器装有高达 3.2 吨的液体物质。不少于 248 个光电倍增管。一个几乎三层楼高的水箱，容积为 700 立方米。还有一个志在必得的时间安排，在 2016 年，也就是LUX 退役的那一年，它会收集第一批数据。新探测器叫作XENON1T，它的第一批结果于 2017 年5月公布。
这不再是两支“军队”之间的战争。2009 年，XENON100 的前合作者、马里兰大学的季向东开始在中国开展一项竞争项目，中国希望展开属于自己的旗舰级实验。阿普里莱的前夫吉博尼接受了上海交通大学的教职邀请，加入了该项目，而这更加坚定了她必胜的决心。
这台中国的探测器叫作PandaX，即粒子和天体物理氙探测器， 它位于四川省锦屏实验室，在岩石下方 2 400 米，这些岩石中主要是大理石。它不仅是世界上最深的地下物理实验室，也是世界上“最安静”的地下物理实验室。第一个PandaX 探测器装有120 千克的氙；PandaX–II 于 2015 年 3 月开始运行，其体积增大了 4 倍，灵敏度超过了LUX。中国团队希望最终可以打造一个 30 吨的探测器。
“竞争是好事，”盖茨克尔说，“人们知道还有其他人时，会更加努力地工作。”不愿放弃，更加努力工作，他就是这样做的。随着LUX 被XENON1T 和PandaX–II 超越，他与英国ZEPLIN团队联手研究。就在 2019 年圣诞节前夕，10 吨的LUX–ZEPLIN探测器的多个部件被转移到了南达科他州的地下实验室。在我撰写本书时，运行即将开始。同时，正如第 2 章中所见，阿普里莱的格兰萨索团队已经让XENON1T 退役并完成了XENONnT 的建造，其灵敏度与LUX–ZEPLIN不相上下，尽管它的靶质量略低，为 8.6 吨。
这场较量还没有结束，而且可能在未来很多年都不会结束。尽管如此，盖茨克尔说：“我相信暗物质总有一天会被发现。否则，我不会做这些事情。我想回答这个问题。”这不是一件容易的事，他补充道，同时将他受伤的腿挪到了转椅上一个更舒适的位置。“这可能比我希望的时间要长得多。谁能说这个问题只需要一代人就能解决呢？”
在纽约市，埃伦娜·阿普里莱一直都对暗物质的发现和诺贝尔奖梦寐以求。至少，在展示了她雄心勃勃的 23 岁时的黑白照片后，她是这么告诉我的。找到一个信号，将会是多么惊喜且令人惊叹！听着她的故事，看着她那张意志坚强的脸，我不禁相信了她。这个女人的一生都围绕着探测暗物质的梦想打转。现在，这个发现随时都有可能发生。
我穿过东河回到曼哈顿时，终于开始下雪了。人行道很滑，大多数高层建筑都消失在视野中。走在大雪中，在新鲜的白色“地毯” 上留下足迹，我试着想象（但并未成功）每一秒都有 10 亿个看不见的WIMP粒子穿过我的身体，日复一日，年复一年。它们穿过布鲁克林大桥。穿过自由塔。穿过我们的星球。在地下深处的实验室中，穿过世界上最灵敏的探测器。
支配我们宇宙大尺度行为的神秘物体就在我们周围，但到目前为止，我们还无法探测到它。而这并不是因为缺乏决心、努力和毅力。所以，物理学家追逐的终究只是幻影吗？或者，也许野兽真的就在那里，但科学家寻找的是错误的野兽，使用了错误的设备？
现在，是时候仔细看看实验学家工具箱中的其他工具了。另一个格兰萨索实验怎么样了呢？那个声称看到了暗物质证据的实验。
本文摘自《宇宙中的大象》一书，霍弗特·席林（Govert Schilling） 著，胡奂晨翻译，中信出版社2023年11月出版，《赛先生》获授权在微信公众号平台首发。
【荷】霍弗特·席林 著
胡奂晨 译
中信出版社
本书已在赛先生书店上架，欢迎点击图片购买。
在《宇宙中的大象》里，荷兰天文学记者、科普作家霍弗特·席林引领我们追踪了人类追寻暗物质的迷人故事。和那些致力于弄清楚理论与观测结果的宇宙学家与物理学家一起，他绘制了一幅绚丽多彩的图景，包括暗物质研究的历史，也介绍了研究的现状。我们应当全面地看待暗物质，它是难解的问题，也是新的机遇，而且是将科学付诸行动的案例。
《宇宙中的大象》清晰地讲述了这么一个完整的故事：科学家向着宇宙的本质进发，正在努力完成一场伟大的拼图游戏。
霍弗特·席林目前已出版五十余本关于各种天文学主题的荷兰语书籍，其中一些已有英译本。2007年，国际天文学联合会以他的名字将第10986号小行星命名为“霍弗特”。前作《时空的秘密》于2018年由中信出版社出版。
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