真空設備助力中國PandaX暗物質探測項目

人類的進步和生活方式的改變，與科學的發展和變革息息相關。從古代人對天文地理編制的美麗神話“盤古開天”，到21世紀好萊塢科幻大片中的“星際穿越”，人類對於廣袤宇宙的嚮往和探索從未停止過。縱觀近現代 “羣星閃耀”的基礎物理髮展史，從牛頓，麥克斯韋到愛因斯坦，從萬有引力，相對論到量子力學，超弦理論，這些重大發現和著名物理學家不斷涌現，推動了現代科學的快速發展。

然而，近50年的時間裡，基礎物理學稍顯停滯，並沒有出現能夠與相對論、量子力學等重大理論突破相提並論的新發展。正因爲此，很多擁有偉大物理夢想的科學家和研究人員在着力推動基本粒子和暗物質粒子探測研究，期待可以直達真理，不斷探索宇宙的終極秘密。

在“標準宇宙學模型”中，宇宙由68%的暗能量(Dark energy)、27%的暗物質(Dark matter)和5%的普通物質(matter)組成，但迄今還沒有暗物質觀測的直接數據。當前探測暗物質粒子主要包括三類實驗方案：一是對撞機探測，通過對撞機實驗來產生暗物質粒子，進而探測出來;二是間接探測，包括衛星試驗和空間站實驗，例如2008年美國發射的名爲Fermi的γ射線探測衛星，2015年我國發射的“悟空”暗物質粒子探測衛星;三是直接探測，通過暗物質粒子與原子核作用對暗物質粒子進行探測，但由於作用信號非常微弱，很容易湮沒在大量本底環境中，因此需要把探測器放在地底深處的實驗室以屏蔽宇宙射線干擾。

中國PandaX暗物質探測項目持續推進

在暗物質粒子的直接探測實驗領域，全球有三大最先進的研究項目實驗組;中國的PandaX，美國的LUX-ZEPLIN，意大利的XENON。PandaX(熊貓計劃)是“粒子和天體物理氙探測器”(Particle and Astrophysical Xenon Experiments)的英文簡寫，是我國開展的首個百公斤級大型暗物質實驗。這些實驗都是利用液氙(Xe)作爲探測媒介來尋找暗物質。

PandaX項目組依託於上海交通大學粒子與核物理研究所和李政道研究所，並與中國科學技術大學，北京大學，山東大學和南開大學等相關實驗室直接合作。在2016年PandaX二期實驗(500公斤級液氙)已經取得了世界領先的暗物質探測靈敏度。據上海交通大學低溫製冷與液化研究室負責人巨永林教授表示，目前正在進行四噸級液氙探測實驗PandaX-4T，將暗物質探測靈敏度向前推進了1-2個數量級。

暗物質直接探測需要穩定的低溫真空環境

儘管直接探測實驗在全世界已經開展了約30年的時間，實驗靈敏度有了巨大的提高，但是到目前爲止，還沒有發現令人信服的暗物質散射的信號。因此，PandaX-4T探測項目通過使用4噸液氙全面增大了靈敏度，但同時在整體實驗設計上也會有很多新挑戰並需要各種性能優化。

考慮到探測機制原理，要探測未知的暗物質跟已知的氙原子可能產生的微弱的閃動光信號，並將其轉換成電信號放大來測量，關鍵就是把其他已知粒子帶來的信號全部排斥在外。在PandaX-4T實驗項目中，包括了八個子系統：時間投影室探測系統、光電探測系統、前端電子學系統、觸發和數據獲取系統、氣體存儲和處理(又稱氣體純化)系統、低溫系統、精餾系統、低本底控制系統等。其中，低溫製冷系統和氣體純化系統都使用了真空泵組作爲必要的設備部件，來實現兩個基本保障：首先是穩定的低溫真空工作環境(零下95度左右)，減少外界環境的漏熱，將探測介質氙的溫度波動控制在大概±0.1k;同時，需要先將材料表面、閥門管道和管線等烘烤加快雜質氣體釋放，然後抽真空處理，這樣氙和極少量的殘餘氣體流經純化系統，此過程中會吸附氣體雜質(避免雜質對後期微弱信號捕捉的干擾)，保障氙的純度。

普發真空泵爲客戶提供高性能真空解決方案

PandaX從最開始的250公斤氙的用量，到現在的PandaX-4T，即4噸有效探測量的氙，計劃未來將進行30噸級暗物質探測實驗，全面覆蓋暗物質的參數空間。所以，系統越大就越複雜，探測設備的尺寸越大，絕緣結構和隔熱結構的層數就越多，管線數量大大增加。因而對真空泵的數量或者抽速就帶來很高的要求，比如理想的夾層真空度一般需要達到10-4帕。因此，實驗項目組選擇真空泵的主要性能參數(技術指標)就包含了極限真空度，真空泵抽速，密封性，尺寸規格等。

據上海交通大學制冷與液化研究室負責人巨永林教授表示，目前PandaX實驗組已經購買了10臺普發真空泵(其中6臺用於低溫系統和液氙存儲系統，4臺用於精餾系統)，主要有以下幾個方面的原因：首先，普發真空產品的主要技術指標能夠滿足嚴苛的實驗條件;其次，產品性能足夠優異的基礎上，價格合理;再次，普發真空的輔助測量系統使用便捷而穩定，能對持續大半年的不間斷探測運行提供可靠的支持;最後，普發真空的售後服務也很完善，能夠提供各種技術支持和泄露檢測解決方案等等，從而有力地支持了整個PandaX項目運行。

從現在到未來，普發真空不斷助推暗物質探測

目前，普發的真空泵Hicube300Pro和Hipace300已經在PandaX-4T實驗項目中得到了成功實踐。一方面，真空泵作爲必要備件被部署於上海研發實驗室的暗物質探測器的子系統中，配合優化和升級的需要;另一方面，普發真空泵被部署於位於世界岩石覆蓋最深的四川錦屏地下實驗室暗物質探測系統中，實現穩定運行。從實際探測過程看，普發真空泵基本保障了整個探測系統的低溫真空環境，爲確保探測的靈敏度和精度保駕護航。值得一提的，由於系統運行的特殊地理環境等因素，可靠實時地保障系統各層級的極限真空度，系統部件必須確保極低的漏率，因此PandaX-4T項目還使用了ASM 340D系列檢漏儀。通過採用該設備，可以有效地監測出來細微到10-13 Pa•m3/s 的泄漏。

“在目前PandaX-4T項目的基礎上，實驗室還在研發30噸液氙的探測項目，希望把精度推向下一個數量級。在我們的計劃中，從2025年到2035年，這一項目預計總投資將達到數十億人民幣，需要購買47噸液氙來進行暗物質探測。”對於未來的研究計劃，巨永林教授滿懷信心，也滿懷期待，“毫無疑問，液氙的量級越高，對於低溫真空環境的穩定性要求也會越高，未來對高性能真空泵的需求也是非常大的。我們希望，以普發真空爲代表的企業，能爲我們的基礎物理研究不斷提供更好的工具支持。”

參考文獻鏈接:

1. https://www.cas.cn/kx/kpwz/201805/t20180530_4647791.shtml

2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/105548733

3. https://luxzeplin.org/

4. https://pandax.sjtu.edu.cn/pandax4

5. https://www.guancha.cn/Science/2014_08_25_260007.shtml