暗物質(zhì)直接探測的實質(zhì)是尋找暗物質(zhì)粒子與原子核的碰撞。2.3 節(jié)中提到，運(yùn)動的WIMP 進(jìn)入探測器內(nèi)部與探測器介質(zhì)中原子核發(fā)生相互作用，即通常我們講的相互碰撞（包括彈性碰撞或非彈性碰撞）。彈性碰撞中WIMP 將一部分能量傳遞給介質(zhì)的原子核，得到能量的原子核脫離分子或原子的束縛而離開了原來的位置，通常稱這個原子核為“反沖核”。

因為反沖核周圍沒有電子，所以反沖核是帶電的“裸核”。我們無法知道暗物質(zhì)粒子WIMP 的入射， 也不知道散射后WIMP 的去向，但是我們可以通過探測反沖核來知道碰撞的發(fā)生。由此可見，尋找碰撞的直接探測最后歸結(jié)為對反沖核的探測。怎樣才能探測到被WIMP 反沖出來的反沖核呢？

從WIMP 那里獲得一定能量并且?guī)щ姷姆礇_核在探測器介質(zhì)中運(yùn)動，可能會發(fā)生以下幾種物理現(xiàn)象：

（1）熱振動。運(yùn)動的反沖核會把一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)遞給附近的原子或分子，使這些分子或原子發(fā)生振動。附加的振動使介質(zhì)的溫度升高，稱為熱振動。振動就應(yīng)該有聲音，物理學(xué)上用虛擬的“聲子”來描述這種振動，即振動會產(chǎn)生“聲子”。

（2）電離。帶電的反沖核會把部分能量轉(zhuǎn)遞給反沖核路徑周圍的電子，得到足夠能量的電子會離開原來的原子束縛，成為自由的電子，丟掉電子的原子變成正離子，這種過程在物理學(xué)中稱為“電離”。電離意味著反沖核會產(chǎn)生正電荷的離子和負(fù)電荷的電子，簡言之，反沖核通過“電離”產(chǎn)生“電荷”。

（3）熒光。帶電的反沖核有可能把一部分能量轉(zhuǎn)遞給周圍的介質(zhì)（原子或分子），并將原子或分子激發(fā)。當(dāng)這些原子或分子退激發(fā)時會發(fā)射出可見光波段的光，或者說是發(fā)射出可見光波段的“光子”。這意味著反沖核會產(chǎn)生可見光，通常叫這種光為“熒光”或“閃爍光”。

很顯然，這三種現(xiàn)象的結(jié)果可以將無法看到的微觀粒子之間的作用轉(zhuǎn)換為宏觀可觀察到的“熱振動”“電荷”或“可見光”。借助對這幾種物理現(xiàn)象的觀察獲得反沖核的信息，成為我們觀察暗物質(zhì)粒子的重要手段。也可以說，通過這些物理現(xiàn)象的觀察實現(xiàn)對WIMP 與原子核碰撞的直接探測。當(dāng)然，三種可能現(xiàn)象的發(fā)生與探測器介質(zhì)的種類有關(guān)，有的介質(zhì)只有一種現(xiàn)象很顯著，有的介質(zhì)則可以同時發(fā)生兩種或三種現(xiàn)象。

原則上講，通過收集“電荷”“聲子”“光子”中任何一種都可以達(dá)到探測反沖核的目的。為便于規(guī)避和辨別本底事例，也可以同時收集其中兩種，如同時接收“電荷”和“聲子”或同時收集“電荷”和“光子”等。反沖核的這三種物理現(xiàn)象（或物理機(jī)制）成為設(shè)計直接探測暗物質(zhì)粒子實驗的基礎(chǔ)。采用不同的物理現(xiàn)象，也就出現(xiàn)了不同類型的直接探測實驗 。

圖3.1.1 所示為三種現(xiàn)象（電離、熒光和熱振動）的示意圖以及基于不同現(xiàn)象進(jìn)行直接探測的實驗名稱。圖中藍(lán)色表示電離，藍(lán)色箭頭所指的實驗是只測電離的實驗，如CDEX、CoGeNT 實驗。圖中綠色表示閃爍光（熒光），其綠色箭頭所指的實驗是只測熒光的實驗，如DAMA、KIMS 等。圖中紅色表示熱振動，紅色箭頭所指的實驗是只測熱振動的實驗，如COUPP、Picasso。有兩種不同顏色箭頭所指的實驗表示同時測量兩種量的實驗，如 SCDMS（Super CDMS）、EDELWEISS等同時測量電荷和熱振動； XENON、PandaX 等同時測量電荷和熒光；CRESST-Ⅱ、ROSEBUD 既測量熒光又測量熱振動。

為能實驗觀察到這些現(xiàn)象的稀有事例，必須剔除或識別大量本底事例。 如何在大量本底事例中辨別暗物質(zhì)粒子事件成為關(guān)鍵課題。所以，探測實驗的設(shè)計必須在考慮高效探測的同時還需要有好的辨別暗物質(zhì)粒子事件的能力。前面已經(jīng)講過三種辨別暗物質(zhì)粒子事件的方法：一是通過WIMP 與原子核作用的單個事件來求證暗物質(zhì)的存在，這種方法必須有很好的辨別和甄別本底事例的能力, 如CDMS、XENON 等實驗；二是依據(jù)WIMP 反沖核的能譜與本底能譜的差別，通過反沖核的能譜測量來辨別WIMP 事例，如CDEX 等實驗；三是通過前面講的年調(diào)制效應(yīng)或日調(diào)制效應(yīng)來發(fā)現(xiàn)WIMP 與原子核的作用事件，如DAMMA、KIMs 實驗。

由此可見，直接探測暗物質(zhì)粒子WIMP 分兩個步驟：首先我們借助探測“電子”（電荷）、“聲子”（熱振動）或“光子”（可見光）來探知反沖核；然后再由反沖核的信息實現(xiàn)對暗物質(zhì)粒子WIMP 的探測。以上物理現(xiàn)象都是我們熟知的物理過程，“電荷”“熱”及“可見光”又都是宏觀的物理量，是很容易測量的物理量。

但是，反沖核從WIMP 那里得到的能量很小，由它產(chǎn)生的“電荷”“可見光”“聲子”的數(shù)量都極少，相應(yīng)的“電壓幅度”和“溫度”變化也極低，如溫度的升高只有熱力學(xué)溫標(biāo)的千分之幾度（mK））, 電壓幅度變化在毫伏量級（mV）。給探測帶來極大挑戰(zhàn)。

另外，各種環(huán)境輻射（如γ 射線、中子等）及宇宙線與原子核外面的電子或原子核發(fā)生作用同樣會產(chǎn)生大量“電荷”“聲子”（溫度）或“光子”等。圖3.1.2 是WIMP 及中子與核的作用及其本底γ 射線與原子外層電子作用的示意圖。

不難看出，γ 射線將電子反沖出來造成的本底是電子反沖事例，中子本底和WIMP 一樣是核反沖事例。一方面，本底γ 射線強(qiáng)度遠(yuǎn)大于WIMP，另一方面它與介質(zhì)原子的作用是電磁作用，其作用強(qiáng)度比弱作用要高十幾個量級（作用概率高十幾個量級）。這意味著即使強(qiáng)度一樣，其本底事例要比WIMP 事例要高十幾個量級。如果不采取措施，在高幾十個量級的本底事例中尋找WIPM 比在大海里撈針還難。所以，極大地規(guī)避和辨別這些γ 本底是極其重要的，也是偵測暗物質(zhì)粒子的關(guān)鍵。另外，中子本底與WIMP 事件都是核反沖，無法區(qū)分。而中子與核的作用是強(qiáng)相互作用，作用概率極高。減少甚至完全消除中子進(jìn)入探測器更是必需的。

需要在很深的地下進(jìn)行

宇宙線的粒子能量很高，有很強(qiáng)的穿透力。而且宇宙線無處不在，無時不在，它會在探測器上及探測器周圍產(chǎn)生次級粒子或輻射等。宇宙線將探測器介質(zhì)及其周圍物質(zhì)轉(zhuǎn)變成放射性物質(zhì)（物理上稱為“活化”），這些被活化的放射性物質(zhì)不斷地輻射出伽馬射線或其他粒子（如α 粒子、β 電子等）。這些次級粒子或伽馬輻射會不定時地進(jìn)入探測器并嚴(yán)重干擾對暗物質(zhì)的探測。所以，直接探測暗物質(zhì)的實驗一般都在較深的地下進(jìn)行，這樣可以避免宇宙線本底和由它產(chǎn)生的次級粒子或輻射本底。當(dāng)然，實驗室越深，宇宙線的通量越少。 圖3.1.3 給出了地下不同深度的宇宙線通量和相應(yīng)的實驗室名稱。2km 巖石（相當(dāng)于6km 水深）下宇宙線通量比地表面減少近5 個量級。

暗物質(zhì)直接偵測實驗對實驗室的要求歸納起來有以下幾點：

（1）有足夠的深度和足夠大的空間，一般都在500m 以上的深度，宇宙線的通量隨深度的增加而迅速減少。

（2）地下實驗室周圍巖石的輻射水平要低，即周圍的放射線本底要低。

（3）氡氣是放射性氣體，實驗室內(nèi)空氣中氡的含量要低。

（4）地下能滿足普通實驗室所需要的水、電、氣、暖、通信等方面的要求。

（5）地下實驗室附近有好的交通、居住、飲食等生活條件，便于科研人員的生活和工作。

這里必須指出，雖然為了減少宇宙線而將偵測暗物質(zhì)的實驗安排在很深的地下，但這不會影響對暗物質(zhì)粒子WIMP 的探尋，因為WIMP 比宇宙線有更強(qiáng)的穿透能力，不會受到任何影響地進(jìn)入“地下”。

國際上研究暗物質(zhì)的地下實驗室有十多個，空間大小差別很大（從幾百立方米到十幾萬立方米），巖石覆蓋的厚度大不相同（從幾百米深到兩千多米深）。不少實驗室除暗物質(zhì)研究外還有中微子、雙β 衰變等稀有事例的低本底基礎(chǔ)物理實驗研究、地球科學(xué)、巖土力學(xué)、生物實驗等科學(xué)研究。此外，地下實驗室也是很好的低放射性本底測量環(huán)境。

國際上有名的地下實驗室有意大利的格蘭薩索（ Gran Sasso）、英國的伯比（Boulby）、法國的摩丹（Modane）、美國的杜塞爾(Dusel) 和蘇丹（Soudan）、西班牙的坎夫蘭克（Canfranc）、加拿大的斯諾（SNO）、日本的神崗（Kamioka）和 韓國的襄陽（Yangyang）等。我國于2010 年新開辟了錦屏地下實驗室（CJPL）。圖3.1.4 給出了分布在世界各地的這些實驗室名稱和實驗室中的暗物質(zhì)實驗。表3.1.1 給出了國際上主要暗物質(zhì)探索研究的地下實驗室所在國家和巖石覆蓋厚度，可分為隧道型和豎井型兩種類型。

圖3.1.5 為摩丹地下實驗室內(nèi)部照片。實驗室位于法國東部里昂，在法國和意大利接壤的阿爾卑斯山的交通隧道內(nèi)。隧道的一邊是法國，另一邊通向意大利，全長13km。從法國一端開車15 分鐘可到達(dá)隧道內(nèi)的實驗室。實驗室埋深1700m，總?cè)莘e3500m3，面積400m2，宇宙線通量為4×10^-5μ·m^-2·s^-1。經(jīng)過過濾的新鮮空氣經(jīng)兩個豎井通風(fēng)管道送進(jìn)地下實驗室，不僅提供了新鮮空氣，更重要的是降低了放射性氡氣的濃度，減少了氡給實驗帶來的輻射本底。實驗室中氡的濃度為15~20Bq/m3（每立方米體積中氡的放射性衰變15~20 次/ 秒）。

中子本底也不高，快中子的通量為4×10^-2m^-2·s^-1, 熱中子的通量為1.6×10^-22m^-2·s^-1。地下實驗室外有地上洞口實驗室、辦公室、車庫、客房等。目前開展的實驗有暗物質(zhì)和雙β 衰變研究等。該實驗室是1980 年為質(zhì)子衰變實驗建造的，1998 年開始暗物質(zhì)的實驗。為適應(yīng)科學(xué)研究的需求，計劃擴(kuò)大實驗室空間至6 萬m3。

圖3.1.6 所示為意大利的格蘭薩索地下實驗室布局的示意圖。實驗室隸屬意大利國家核子物理研究所，距羅馬120km。該實驗室建在地下1400m 的隧道中, 是全球最大的地下基礎(chǔ)物理實驗室。除輔助廳外有三個主要實驗大廳，每個主廳的尺寸為100m×20m×18m。整個實驗室總面積達(dá)17300㎡，總?cè)莘e達(dá)18 萬m3，聚集了來自29 個國家的粒子物理實驗、粒子天體物理與核天體物理領(lǐng)域的九百多名科學(xué)家。目前，探測暗物質(zhì)和探測中微子等15 個實驗正在進(jìn)行，如暗物質(zhì)實驗DAMA、XENON100、WARP，中微子實驗 BOREXINO、LVD，以及測量中微子質(zhì)量的雙β 衰變實驗CUORE、GERDA、Cobra 等。圖3.1.7 為格蘭薩索地下實驗室內(nèi)一個實驗大廳的局部照片。

必須進(jìn)行極其嚴(yán)密的輻射屏蔽

雖然很深的地下可以有效地減少或消除宇宙線及其所產(chǎn)生的次級本底的影響，但是地下的巖石、泥土中的放射性物質(zhì)仍然和地表一樣的多。我們知道，地球上的放射性元素?zé)o處不在（如鈾、釷、鉀等），它們的壽命很長，幾乎與地球的年齡差不多，至今這些元素還在不斷地放射出大量的α、β、γ 等射線，甚至釋放出中子。這些中子或射線等進(jìn)入探測器都有可能被誤認(rèn)為是WIMP，成為干擾暗物質(zhì)粒子探測的大量本底事例。

地下屏蔽很好的實驗室內(nèi)，1kg 探測器的本底事例率是1~10/s，而暗物質(zhì)的事例率只有0.01~0.1/d，本底要高好幾個量級。必須對暗物質(zhì)探測設(shè)備做特別的輻射屏蔽，設(shè)法把這些射線、中子等徹底阻擋在探測器外面。

一些元素放射出的帶電粒子（如β（電子）、α 等帶電粒子）都不是大問題，很容易被阻擋，只要薄薄一層金屬或塑料就可以。但是，阻擋較高能量的γ 射線和中子就不是那么容易了。

γ 射線可被厚厚的高原子序數(shù)（高Z）材料所阻擋，阻擋γ 射線最有效的材料是重金屬材料高Z 材料（如鉛、鎢等）。

阻擋中子需要分兩步：第一步將中子慢化，即先讓中子慢下來，所用的材料是原子序數(shù)低的輕材料，如通常用的聚乙烯、石蠟、水等；第二步是將慢化了的中子“吸收”掉，能“吸收”掉中子的材料很多，如硼、鎘等。 不過，雖然將中子吸收了，但又會產(chǎn)生出次級的γ 射線。 我們還必須再用高Z 的重材料把這部分γ 射線阻擋在外。

當(dāng)然，用來阻擋輻射的材料本身不能再有伽馬或中子等放射性，應(yīng)該是很純的幾乎沒有任何放射性本底的材料，如高純無氧銅等。但是，高純無氧銅十分昂貴，只能應(yīng)用在最關(guān)鍵的地方。

由此可見，必須采用多層的不同用途的材料按照一定厚度、一定次序包圍在探測器外面，構(gòu)成一個從里到外的阻擋外來輻射本底的“堡壘”。我們通常稱這個“堡壘”為屏蔽體系統(tǒng)。很顯然，越是靠近探測器的屏蔽體，純度應(yīng)該越高。因為里面的屏蔽體還能阻擋一些外部屏蔽體的放射性，而靠近探測器的屏蔽體的本底輻射再沒有辦法去除了。這種被動地阻擋或“吸收”掉外來輻射的辦法稱為“被動屏蔽”。

一般屏蔽體系統(tǒng)的典型安排如圖3.1.8 所示，從外到里分別為鉛層、聚乙烯、含硼聚乙烯、高純無氧銅，最里面是安排探測器的空間。鉛除阻擋外來帶電或中性粒子外，主要阻擋外來的伽馬射線。聚乙烯實現(xiàn)對外來中子（也包括伽馬射線在鉛層內(nèi)產(chǎn)生的中子）的慢化；含硼聚乙烯中的硼既能“慢化”中子又能“吸收”中子。含硼聚乙烯層在“吸收”中子的同時會有伽馬射線產(chǎn)生，所以最里層安排了比較厚的無氧銅來阻擋所有企圖進(jìn)入探測器空間的射線或粒子。這種屏蔽安排又稱“被動屏蔽”。

當(dāng)然，不太深的地下實驗室還是有不少的宇宙線，而且能量很高。再厚的屏蔽體也阻擋不了這些宇宙線。既然擋不住，就設(shè)法把它們記錄下來，而后在分析數(shù)據(jù)時將其影響扣除。這種方法稱為“主動屏蔽”。經(jīng)常在“ 被動屏蔽”體的外面安排專門探測和記錄宇宙線粒子的探測器，將宇宙線實時探測與記錄下來。圖3.1.9 為韓國 KIMs 暗物質(zhì)實驗探測器的屏蔽體和宇宙線粒子探測器的照片，圖中藍(lán)色部分就是包在屏蔽體外面專門探測宇宙線粒子的液體閃爍探測器。宇宙線在進(jìn)入“被動屏蔽”體或暗物質(zhì)探測器之前必將先穿過閃爍探測器，該閃爍探測器將告訴我們宇宙線進(jìn)入的時間和地點。在時間上與宇宙線信號相關(guān)事例很可能就是宇宙線產(chǎn)生的本底事例，必須在實驗中扣除。

氡氣從巖石中出來擴(kuò)散到實驗室的空氣中。 氡氣是一種放射性氣體，會不斷地輻射出伽馬射線等。氡氣進(jìn)入探測器空隙中也會形成本底信號，成為特別的輻射本底來源。所以，一方面要避免氡的聚集，另一方面要防止氡氣進(jìn)入屏蔽體內(nèi)的探測器空隙中。為此，要不斷地把外界新鮮的空氣引入實驗室，減少實驗室內(nèi)的氡氣含量；同時要用高純的氮氣把探測器空隙中的氡趕走。