一項重大物理實驗成功將探測系統冷卻到接近絕對零度

在地球深處，一項重大物理實驗成功將探測系統冷卻到接近絕對零度，向破解暗物質這一宇宙最大謎團之一邁出關鍵一步。位于加拿大一座仍在開采的鎳礦深井中的“超低溫暗物質探測”（Super Cryogenic Dark Matter Search，SuperCDMS）實驗，近日正式達到工作基準溫度，其超高靈敏度探測器也隨之“點火”啟動，開始面向未知宇宙展開觀測。

研究團隊介紹，整個系統的運行溫度僅比絕對零度高出幾千分之一攝氏度，遠遠低于深空溫度，是人類迄今建成的最寒冷實驗裝置之一。在如此極端低溫下，材料內部由熱運動引起的背景噪聲幾乎完全被“凍住”，為捕捉極其微弱、極其罕見的粒子信號提供了近乎“寂靜”的環境。這一里程碑標志著 SuperCDMS 從漫長的建設階段正式轉入科學運行階段，科研人員將借此探索此前從未被直接觀測過的宇宙區域。

SuperCDMS 的目標是直接探測暗物質候選粒子，特別是所謂“弱相互作用大質量粒子”（WIMPs）。目前的宇宙學模型認為，暗物質約占宇宙總物質含量的 85%，但人類從未在實驗室中直接“看見”它，只能通過其對星系旋轉、宇宙大尺度結構等引力效應推斷其存在。如果暗物質粒子如理論所示不斷穿過地球，那么 SuperCDMS 這樣的實驗就有可能記錄到它們與普通物質原子晶格發生極少數碰撞的瞬間。

在 SuperCDMS 的設計中，當一枚暗物質粒子撞擊探測器中晶體材料的原子時，將激發晶格產生微弱振動，同時在晶體內部激發極小數量的電子，這兩條信號通道可共同用來判斷一次真實的粒子碰撞事件是否發生。為了讓這種極弱信號不被淹沒，實驗不僅依靠超低溫，還必須最大限度壓制來自環境的各種“本底噪聲”。

來自明尼蘇達大學的科研團隊負責設計、采購并搭建了一套低本底屏蔽系統，為探測器營造一個盡可能遠離天然放射性和宇宙線次級粒子干擾的“安靜”空間。該屏蔽結構為一個高約 4 米、直徑約 4 米的圓柱形封閉裝置，外層采用超高純度鉛來吸收伽馬射線，內層則使用高密度聚乙烯材料來削弱由宇宙射線在洞壁中激發的中子通量。

SuperCDMS 選址于加拿大安大略省薩德伯里附近 SNOLAB 地下實驗室，實驗大廳位于地表以下約 6800 英尺（約 2.1 公里），由一座在產鎳礦改造而成。如此巨大的巖層屏蔽大幅削弱了地面宇宙射線帶來的背景事件，使得探測器能專注于捕捉理論預期中極為稀少的暗物質相互作用痕跡。

“達到基準溫度，是我們為建設這一低本底裝置所做多年努力中的關鍵節點。”SuperCDMS 發言人、明尼蘇達大學物理與天文學學院教授 Priscilla Cushman 表示。“在這樣的極低溫環境下，我們安裝好的探測器終于可以開始掃描一片全新的參數空間，在那里，最輕的暗物質粒子或許正在潛伏。”

目前，實驗已從冷卻階段轉入探測器調試階段，該過程預計需要數月時間，期間研究人員將逐個通道進行激活、標定和性能微調。除了暗物質本身，SuperCDMS 還可用于研究稀有同位素的衰變現象、探索此前從未被精確測量過的能區，并有望揭示新的粒子相互作用形式。

在數據分析方面，明尼蘇達大學團隊還開發了先進的事例重建算法和分析方法，以便在數據正式采集后，能夠盡快從海量記錄中篩出可能的暗物質候選信號。該校物理與天文學學院助理教授 Yan Liu 擔任分析工作組主席，在整個國際合作中扮演關鍵角色。團隊成員還包括多名博士后、科研人員及研究生，覆蓋從實驗運行到數據處理的各個環節。

SuperCDMS 項目由多個機構聯合資助，包括美國能源部科學辦公室、美國國家科學基金會、加拿大創新基金會以及加拿大自然科學與工程研究委員會等，體現了北美在暗物質直接探測方向上的持續投入。隨著探測器在未來幾個月全面投入科學觀測，研究人員期待，這座“比外太空還要冷數百倍”的地下實驗裝置，能為人類揭示暗物質的真實面貌，乃至推動我們對宇宙構成的基本認識發生改變。