含特殊晶体的粒子探测器问世，将拓展暗物质搜寻范围

▲：宇宙中暗物质的大规模分布的计算机模拟图。覆盖图（白色）显示了一个晶体样品在实验室测试中暴露在Ｘ射线下是如何强烈闪烁或发光的。

暗物质（Dark Matter）是物理学家因无法用现有物理法则来解释某些现象而假设宇宙中存在的一种物质。它的体积比电子和光子还要小，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，理论上是宇宙的重要组成部分。虽然宇宙总物质量的85%以上都是由它所占据着，然而，人类可见的部分只占宇宙物质总量的不到5%，并且，对于暗物质的成分与结构我们还一无所知。据《应用物理学期刊》3月20日发表的一篇论文称，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（以下称伯克利实验室）提出了一种含有特殊晶体的新型粒子探测器的设计方案，这可以极大地扩大人类在未知领域中对暗物质的搜索范围。

新的探测器设计可以通过检测能量的高低来扫描可能存在的暗物质信号，其能量探测范围比传统的WIMP（大量相互微弱影响的暗物质粒子）探测器低数千倍。这一超灵敏探测技术的核心是一种镓砷化合物晶体，其中还包括硅和硼两种元素掺合剂。每当WIMP粒子相互撞击并踢出电子时，这些化学元素的集合体会让晶体闪烁或亮起。

砷化镓的这种发光特性基本上是从没有被探索过的，伯克利实验室的分子生物物理学和集成生物成像部门的资深物理学家斯蒂芬·德伦佐（Stephen Derenzo）介绍道。

掺杂了砷化镓化合物的晶体非常适合于制造高灵敏度的粒子探测器，原因主要有三个：第一，当该晶体原子结构中的原子释放出电子时，晶体会呈易于识别的高亮状态；第二，它们并不会遭受一些诸如余辉效应和暗电流等典型副作用的影响；第三，对这些纯净度极高、大体积晶体的需求可以通过商业性培育手段而满足。

这款以晶体为基础的砷化镓探测器的设计亮点是，对于电子反冲效应产生的相对轻微的能量变化极为敏感——这个过程中，电子与暗物质粒子相互作用，迫使电子从原子中被喷射出去。值得一提的是，与LUX和LUXZEPLIN前两代WIMP探测器一样，该砷化镓探测器需要被安置在很深的地下，以保护它不受从太空落到地球表面的粒子雨的影响。其次，它还需要与光传感器相耦合，以探测低质量暗物质粒子相互作用所可能产生的极少量红外光子（光粒子）。再者，探测器还需要冷却到低温温度。最后，对含硅和硼的掺杂剂进行优化可能也会提高探测器整体的灵敏度和性能。

对于人类，暗物质的构成与结构仍然是一个未解之谜——它可能是由一个或多个质量不等的粒子所组成的，或者可能完全不是由粒子所构成的。德伦佐指出，砷化镓探测器仅仅是提供了一个窗口去探寻暗物质粒子可能的藏身之处。

尽管WIMP的质量范围最初被认为是以十亿电子伏特（GeV）为单位来进行测量的，但是，新的砷化镓探测器技术将灵敏度提高到了能探测以百万电子伏特（MeV）为单位的质量范围内的粒子。

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 编译：朱明逸 审稿：西莫  编辑：张梦

来源：https://phys.org/news/2018-03-scintillation-material-dark-particles.html