液氬探測器在稀有事例探測中的應用和發展*

鄭昊哲 劉圓圓? 王力 程建平

1) (北京師范大學核科學與技術學院,生態環境部 北京師范大學 錦屏極低輻射本底測量聯合實驗室,射線束技術教育部重點實驗室,北京 100875)

2) (北京師范大學物理學系,北京 100875)

稀有事例探測是近幾年熱門的粒子物理前沿課題,如暗物質、無中微子雙貝塔衰變、中微子-核子相干彈性散射等實驗都在逐漸被規劃和實施.進行稀有事例探測要求探測器有極佳的性能,同時對環境本底有很高的要求,因此探測器和相關材料的選擇是稀有事例探測的一個重要課題.液氬因為成本低、閃爍性能好、體積限制較小等優勢成為稀有事例探測器的一種重要介質.經過幾十年的發展,單相液氬閃爍體探測器和兩相氬時間投影室成為兩種常見的液氬探測器類型,并開始被國內外各實驗組應用于稀有事例探測實驗中.本文首先對兩種常見的液氬探測器的原理和特性進行介紹,然后詳細介紹國內外相關稀有事例探測實驗組對液氬探測器的研究和應用現狀以及未來規劃,最后討論未來液氬探測器在稀有事例探測中的應用前景和優化方向.

1 引言

在粒子物理實驗中,通常把對反應截面極小或半衰期非常長的核反應或核衰變過程的測量稱為稀有事例探測.目前國際上較為關注的稀有事例探測實驗包括暗物質(dark matter,DM)探測[1]、無中微子雙貝塔衰變[2](neutrinoless double beta decay,0νββ)測量、中微子-核子相干彈性散射[3](coherent elastic neutrino-nucleus scattering,CEνNS)測量等.這些稀有事例探測實驗有的與超出粒子物理標準模型的新物理密切相關,有的是對標準模型的驗證和擴充,是當今前沿物理的熱門課題.

稀有事例由于發生概率極低,因此這類實驗對實驗環境以及探測器的要求極為苛刻.對于實驗環境,稀有事例探測實驗通常需要在很深的地下實驗室進行,以便降低宇宙線對實驗的影響,同時需要采取建設屏蔽體、放射性篩選等多種方式盡可能地減少實驗裝置自身以及周圍材料產生的放射性本底.對于探測器,首先其靈敏區質量要盡量大,這樣可以有效地提高實驗的曝光量,從而增加待測稀有事例的事例率;其次,探測器的能量分辨率要盡可能高,因為稀有事例探測結果一般是基于對實驗測量能譜的分析,高的能量分辨率有利于感興趣能區目標信號和本底信號的甄別與篩選.最后,探測器自身的本底水平也應當盡可能低,最好同時還具備粒子甄別能力.此外,對于目標信號極其微弱的DM 直接探測、CEvNS 測量等還需要探測器具有低的能量閾值.基于稀有事例探測對探測器的共性要求,目前稀有事例探測實驗中常用的探測器包括液態惰性氣體探測器[4,5]、高純鍺探測器[6]、極低溫量熱器[7]等.不同探測器的優勢和不足如表1 所列.

表1 稀有事例探測常用探測器類型對比Table 1.Comparison of detector types in rare event detection.

得益于較低的成本、成熟的提純技術、良好的閃爍性能以及較強的粒子甄別能力,液氬探測器在稀有事例探測中有著十分廣泛的應用.例如暗物質實驗中Darkside 實驗組采用了氣液兩相氬時間投影室給出了1.8—3.0 GeV/c2區間弱相互作用大質量粒子 (weakly interacting massive particles,WIMPs)測量目前最靈敏的結果[8];無中微子雙貝塔衰變實驗中鍺探測器陣列 (the germanium detector array,GERDA)實驗組采用液氬閃爍體探測器作為反符合系統,給出了目前76Ge 的0νββ 半衰期限制的世界最好結果[9];CEνNS 實驗中COHERENT實驗組使用液氬閃爍體探測器給出了第一個使用氬核作為靶核的CEνNS 結果[10].

液氬開始被作為電離輻射探測器的靈敏材料始于20 世紀40 年代,當時主要的研究方向是液氬的電離特性以及將液氬用作電離室介質的可行性[11].1954 年,Marshall[12]首次使用液氬電離室測量了高能β 粒子.在隨后的研究和應用中,為了解決液氬產生的電離信號的放大問題,氣液兩相氬探測器逐漸得到發展,讀出液氬電離信號的同時也讀出氣相的電離信號[13].此外,為了能獲取粒子的更多信息,液氬時間投影室 (time projection chamber,TPC)技術也開始發展起來[14].時間投影室除了可以讀出電離信號以外,還可以讀取粒子的漂移時間,從而可以確定粒子的徑跡.宇宙線和地下稀有信號成像 (imaging cosmic and rare underground signals,ICARUS)實驗組最早嘗試使用液氬TPC 來探測中微子.1977 年,該實驗組的Rubbia[14]提出了構建液氬TPC 的設想.之后ICARUS 實驗組就開始進行建設液氬TPC 的嘗試,到20 世紀90 年代,該實驗組建成了3 t 規模的液氬時間投影室[15,16].

除了對電離信號的探測,液氬的閃爍光信號也可用于粒子探測.20 世紀70 年代末到80 年代初,開始對液氬的閃爍光特性進行研究,發現了液氬閃爍光的快慢成分,也初步發現了液氬閃爍光信號的粒子甄別能力[17].1999 年,ICARUS 實驗組第一次在液氬時間投影室中收集閃爍光信號,發現讀出閃爍光信號也可以獲得粒子的漂移時間,從而確定粒子徑跡[18].

21 世紀以來,圍繞稀有事例探測,液氬探測器得到了快速的發展.單相液氬閃爍體探測器開始在稀有事例探測中獲得應用,利用氬波形甄別的暗物質實驗 (dark matter experiment using argon pulseshape discrimination,DEAP)等實驗組已經使用單相液氬閃爍體探測器開展了多年的暗物質探測實驗[19].同時,在氣液兩相氬探測器和TPC 的技術的基礎上發展出了氣液兩相氬TPC 探測器,DarkSide 等實驗組[20]使用氣液兩相TPC 開展了暗物質探測研究.除此以外,GERDA 實驗組[9]在第二階段實驗中增加了基于液氬閃爍體探測器的反符合系統,顯著降低了實驗本底.

經過幾十年的發展,液氬探測器技術取得了巨大的進步,發展出了幾種成熟的探測器類型,并在稀有事例探測領域獲得了重要的應用.本文圍繞液氬探測器在稀有事例中的應用和發展,首先介紹液氬的基本性質以及當前主要應用的單相液氬閃爍體探測器和氣液兩相氬TPC,然后根據不同的應用類型介紹國內外相關實驗組使用液氬探測器進行稀有事例探測工作的現狀和進展.最后給出未來液氬探測器的優化方向,以及未來在稀有事例探測實驗中的應用前景.

2 液氬探測器

2.1 液氬的基本性質

氬元素是18 號元素,常溫下為氣態,沸點約為87 K.液氬通常由大氣中分離的氬氣液化產生,密度為1.40 g/cm3.氬的主要天然同位素有40Ar,38Ar,36Ar,它們都是穩定核素.在大氣環境中,存在氬的宇生同位素39Ar,它是40Ar 與穿過大氣層的宇宙射線作用產生的核素.39Ar 會發生β 衰變,半衰期為269 年,Q值為565 keV.39Ar 的放射性是液氬探測器在低能區域一個重要的本底.

如圖1 所示,當電離輻射進入液氬時,會使液氬電離或者激發,轉化為分子激發態().二聚態氬原子不穩定,會經過退激過程回到基態,退激過程中會釋放波長約為128 nm 的閃爍光[21].因此,液氬探測器既可以通過閃爍光信號,也可以通過建立漂移電場收集電子或氬離子來測量入射粒子.

圖1 激發態氬原子形成原理Fig.1.Formation mechanism of excited argon.

表2 列出了液氬與閃爍性能相關的主要參數.液氬的光產額約為40000 光子/MeV[22],與經典的無機和有機閃爍體相比要大得多.閃爍光產生過程包括上升過程和衰減過程,通常認為上升過程是瞬時過程,而衰減過程服從指數衰減規律.對于液氬來說,它的閃爍光包含快慢兩種成分,液氬的快慢成分衰減時間常數分別是6 ns 和1.59 μs[23].當入射粒子是不同類型的粒子時,液氬產生的閃爍光時間響應曲線是不一樣的,這表明液氬閃爍光中快慢成分的比例和入射粒子種類有關[23].利用這一點可以發展出波形甄別 (pulse shape discrimination,PSD)技術,用于甄別入射信號中的不同粒子.

表2 液氬閃爍光特性[24]Table 2.Scintillation properties of liquid argon.

需要注意的是液氬的閃爍性能受到雜質濃度等因素影響變化較大.弱相互作用大質量粒子氬實驗組 (wimp argon programme,WArP)研究結果表明,液氬中氮氣、氧氣雜質的存在會顯著降低液氬的光子產額[25,26].光子產額對于輻射能譜的測量有直接的影響,因此控制液氬中相關雜質的濃度對探測器性能提高至關重要.研究結果還表明氮氣、氧氣雜質對液氬的慢成分衰減常數也有較大影響[25,26].當雜質濃度過大時,采用PSD 技術來進行入射粒子種類的甄別就很難實現.此外,液氬中雜質的存在會影響閃爍光的傳輸過程,導致閃爍光能傳播的距離減小.根據氬暗物質實驗 (the argon dark matter experiment,ArDM)實驗組對液氬閃爍光衰減長度與雜質濃度關系的研究,液氬閃爍光的衰減長度隨雜質濃度增加而迅速下降[27].因此從能譜測量和粒子甄別等要求考慮,都需要對液氬中的雜質濃度進行控制.

2.2 液氬探測器類型

目前稀有事例探測中使用較多的氬探測器主要有兩類,分別是單相液氬閃爍體探測器和兩相氬TPC.

2.2.1 單相液氬閃爍體探測器

單相液氬閃爍體探測器就是以液氬為靈敏介質,只收集液氬產生的閃爍光信號進行讀出的探測器類型.液氬閃爍光的有效收集和讀出是影響液氬閃爍體探測器性能的主要因素之一.如圖2 所示,入射粒子進入液氬后損失能量,轉化為閃爍光子被光讀出器件收集.通常使用的光讀出器件是光電倍增管 (photomultiplier tube,PMT)和硅光電倍增管 (silicon photomultiplier,SiPM).它們通常的工作波長在約400 nm 的可見光波段,為了保證高效的閃爍光收集和讀出,用液氬作為閃爍體材料時需要額外加入移波劑,通常是加入四苯基丁二烯(tetraphenyl butadiene,TPB),它能夠將液氬產生的紫外波段閃爍光轉換為可見光波段.

圖2 液氬閃爍光產生和收集過程示意圖Fig.2.Schematic diagram of the generation and collection process of liquid argon scintillation.

2.2.2 兩相氬TPC

與單相的液氬閃爍體探測器不同,兩相氬TPC 探測器同時利用氬原子電離或激發過程中產生的閃爍光信號和氬原子電離過程中產生的電離信號來進行輻射探測.

探測器裝置如圖3 所示[28],一般采用圓柱形,在探測器的下半部分充滿液氬,上半部分則充入氬氣,探測器頂部和底部布置大量的PMT.當有輻射進入探測器靈敏體積時,可以得到初始的閃爍光信號.將這個初始信號稱為“S1”[29].從S1 信號中可得到輻射的能量信息.

圖3 兩相氬TPC 裝置示意圖[28]Fig.3.Schematic diagram of double-phase argon TPC[28].

探測器外部存在漂移電場、萃取電場和發光電場.這樣電離過程中產生的電子會在電場的作用下向氣相漂移.在萃取電場作用下,電子沖出液相進入氣相.氣相存在發光電場,進入氣相的電子在電場的作用下可以發生次級電離,產生更多的電離電子,并產生二次發光,光信號可以被氣相頂部的PMT陣列收集,這樣產生的閃爍光信號稱為“S2”[29].S2 的信號強度與電離電子的能量有關,所以S2與S1 的強度比可以作為判斷電子反沖或者核反沖信號的依據.此外,根據S2 信號被PMT 收集的位置可以重建出初始粒子的二維坐標.而粒子縱向的位置可以由S1 與S2 信號的時間差得到,這也是這類探測器被稱為時間投影室(TPC)的主要原因.

3 稀有事例探測中的液氬探測器

自20 世紀70 年代開始,正是稀有事例探測實驗的需求與發展推動了液氬探測器技術的發展.目前液氬探測器已經成為稀有事例探測領域一種重要的探測器.無論是單相液氬閃爍體探測器還是兩相氬TPC,在近些年都受到了國內外多個稀有事例探測實驗組的關注.這些實驗組已經針對液氬探測器開展了深入的研究和測試,表3 列出了目前主要的使用液氬探測器進行稀有事例探測的國內外實驗組的相關情況.

表3 國內外液氬探測器相關實驗組概況Table 3.General situation of liquid argon detector related experimental groups at home and abroad.

3.1 暗物質探測實驗

大量的天文觀測已經證實了暗物質的存在[1].目前暗物質粒子模型比較熱門的有弱相互作用大質量粒子(WIMPs)、軸子、惰性中微子等.對暗物質粒子的探測包括直接探測、間接探測、對撞機產生三種方法,其中直接探測法通過測量暗物質粒子與普通物質相互作用產生的反沖信號來實現對暗物質粒子的測量.DEAP 和DarkSide 等實驗組采用液氬探測器開展了暗物質直接探測實驗.

3.1.1 DEAP 實驗

DEAP 實驗組采用單相液氬閃爍體探測器在位于加拿大安大略省的SNOLAB 實驗室開展暗物質探測實驗.實驗分階段進行,第一階段DEAP-1實驗研制了7 kg 的液氬原型機,測試并驗證了液氬的PSD 能力[30].在原型機的基礎上,實驗組開展了第二階段DEAP-3600 實驗.DEAP 實驗組使用5 cm 厚,內徑為85 cm 的球形丙烯酸容器裝載3600 kg 的液氬作為主探測器靈敏介質,在容器周圍均勻布置了255 個PMT 用來收集液氬產生的閃爍光[5].稀有事例探測實驗極易受本底信號的干擾,因此,DEAP 實驗組在主探測器外圍布置了主動反符合系統.整個主探測器被浸在超純水屏蔽罐中,罐外布置了48 個PMT,用來收集μ子穿過水中時可能產生的切倫科夫光,從而可以把μ子產生的干擾信號排除掉.

DEAP 實驗所采用的單相液氬探測器只讀出液氬閃爍光信號,且探測器介質為單相液氬,探測器結構相對簡單,所以探測器的質量可以做得很大,從表3 可以看出,DEAP-3600 具有較大的探測器質量.此外,DEAP 實驗組有較成熟的液氬純化系統[5],探測器中液氬的純度可以維持在較高水平.目前DEAP-3600 實驗主要本底來源于39Ar 的β衰變的連續譜.DEAP 實驗組主要通過液氬脈沖信號的PSD 能力來排除39Ar 產生的本底信號.根據該實驗組從2016 年11 月到2020 年3 月的實驗數據分析,結果表明探測器將39Ar 本底信號判斷為目標信號的概率僅為10—9數量級,對本底的抑制效果在可接受范圍[31].

DEAP 實驗組對截止到2017 年10 月底的近一年的數據進行分析,得到了目前使用單相液氬探測器進行暗物質探測的最好結果[19].2022 年初,DEAP 實驗組發表了最新的暗物質探測成果,第一次使用液氬探測器得到了普朗克尺度(1019GeV/c2)WIMPs 粒子的截面約束[32].DEAP-3600 的數據分析工作還在持續進行,未來DEAP 實驗組將與DarkSide,ArDM 等實驗組合作開展液氬探測器相關的暗物質探測工作.

3.1.2 WArP 實驗

WArP 實驗組是在格蘭薩索國家實驗室 (Laboratori Nazionali del Gran Sasso,LNGS)進行暗物質探測的實驗組,該實驗組使用的主探測器是兩相氬TPC.2006 年開始,WArP 實驗組利用2.3 L 的原型機進行數據采集測試,得到了初步的結果[33].之后WArP 實驗組研制了100 L 的氬TPC 進行暗物質探測實驗,除了100 L 的主探測器之外,該實驗組還部署了5600 L 的液氬作為主動反符合系統和被動屏蔽裝置.探測器整體在2009 年設計制造完畢后一直在進行測試工作,后因一些技術問題導致實驗終止[29].

雖然WArP 實驗組的暗物質探測計劃以失敗告終,但是WArP 是第一個提出將兩相氬TPC 技術用于暗物質探測的實驗組,他們長達五年以上的探測器設計和測試工作為其他采用兩相氬TPC 技術進行稀有事例探測的實驗組提供了寶貴經驗.此外,他們將液氬閃爍光信號用作反符合系統的構想也對稀有事例探測相關實驗組有重要的借鑒意義.

3.1.3 DarkSide 實驗

DarkSide 實驗組同樣利用氣液兩相TPC 在LNGS 開展暗物質探測實驗.到目前為止,該實驗分為三個階段,分別為DarkSide-10,DarkSide-50和 DarkSide-20k.DarkSide-10 是該實驗組在2011年制造的10 kg 原型機.基于原型機,主要對TPC的閃爍光產額進行了測試[34].第二階段DarkSide-50 是在DarkSide-10 的基礎上設計的,包括50 kg的氬TPC 以及外圍的液閃和水箱.內部的TPC部分是直徑為35.6 cm,高為36.5 cm 的圓柱體,內壁涂有聚四氟乙烯作為反射層,頂部和底部涂有TPB 作為液氬閃爍光的移波劑.中間是直徑為4 m 的不銹鋼球體,內部充滿30 噸液體閃爍體.液閃含有10B,主要用于吸收本底信號中的中子成分.外圍是直徑為11 m,高為10 m 的圓柱形水箱,水箱里充滿高純水,并配有PMT,用于對μ子產生的切倫科夫光進行收集[35].

之后DarkSide 實驗組進一步優化他們的探測器系統,開始采用地下氬(underground argon,UAr)來逐漸代替大氣氬(atmosphere argon,AAr),從而大幅減少39Ar 本底.經過多年的研究,DarkSide實驗組已經有一套較為完整的地下氬生產流程,經過純化和同位素分離,氬純度和氬同位素本底的控制都達到了預期水平[36].

DarkSide-50 給出了目前用氬作為靶核探測暗物質的最好結果[20].此外,DarkSide-50 還在2018 年針對低質量區間的WIMPs 搜索給出了最新的結果[8].DarkSide 實驗組第三階段的目標是建造20 t 的氬TPC 進行暗物質探測,即DarkSide-20k.目前該項目正在進行優化設計和性能測試工作.與之前的項目相比,DarkSide-20k 有兩個重要的優化.一個方面是反符合系統方面采用摻釓的丙烯酸作為抑制中子本底的裝置[37],另一方面是光電讀出器件將由原本的PMT 改為使用SiPM 讀出[38,39].目前相關的測試和優化工作還在持續進行.

3.1.4 小 結

暗物質直接探測實驗,尤其是以WIMPs 粒子為目標的實驗,目前主要有兩個趨勢: 一個是探索低質量區間暗物質;另一個是探索大質量區間以及宇宙線加速的暗物質.對于前者的探索,通常使用高純鍺探測器為代表的半導體探測器,高純鍺探測器具有極低的閾值和良好的能量分辨率,是探索極低能量暗物質信號的較好選擇.而對于后者,大曝光量和高探測效率是更重要的,因此液態惰性氣體探測器在大質量區間暗物質探測中優勢明顯.液氬探測器在暗物質直接探測實驗中發揮了重要的作用.對于輕質量WIMPs 探測,DarkSide-50 實驗單獨使用電離信號S2 的分析閾值達到了可與半導體探測器比擬的59 eV,給出了國際領先的測量結果[8].對于大質量區間的暗物質探測,液氬探測器相對于液氙成本更低,隨著DarkSide-20k 實驗的開展,液氬探測器也將展現出強大的競爭力.

3.2 無中微子雙貝塔衰變實驗

20 世紀30 年代,意大利物理學家馬約拉納提出了中微子可能是自身的反粒子,即馬約拉納費米子[40].如果中微子是馬約拉納費米子,那么中微子的質量來源可以由馬約拉納機制來解釋.而目前驗證中微子是否是馬約拉納費米子的主流方法之一是探測無中微子雙貝塔衰變現象[2]是否存在.探測無中微子雙貝塔現象需要較大的探測器體積,要求探測器的能量分辨率較高,同時對實驗本底的要求極為嚴格.為了降低本底,進行無中微子雙貝塔衰變實驗的實驗組大多引入了主動的反符合探測系統,其中GERDA 實驗組和LEGEND(large enriched germanium experiment for neutrinoless ββ decay,大型富集鍺的無中微子雙貝塔衰變實驗)實驗組使用了液氬反符合探測系統.來自中國的中國暗物質實 驗 (China Dark Matter Experiment,CDEX)實驗組和粒子與天體物理氙時間投影室 (particle and astrophysical xenon TPC,PandaX)實驗組也針對無中微子雙貝塔衰變開展了一系列工作,其中CDEX 實驗組未來計劃采用液氬反符合系統,PandaX 實驗組則采用與兩相氬投影室類似的兩相氙投影室進行實驗.

3.2.1 GERDA 實驗

GERDA 實驗組是在LNGS 進行無中微子雙貝塔衰變測量的實驗項目.21 世紀初,GERDA 實驗組就開始探索利用低溫下工作的高純鍺探測器來探測76Ge 的無中微子雙貝塔衰變事例.當時主流的高純鍺探測器冷卻介質采用的是液氮,而GERDA 實驗組提出了使用液氬代替液氮作為冷卻介質的想法[41,42],這樣具有閃爍功能的液氬同時可以作為主動反符合裝置的介質.從2007 年開始,GERDA 實驗組就一直在研究液氬閃爍體探測器作為反符合裝置的可行性.從蒙特卡羅方法模擬到原型機實驗測試,對液氬的循環裝置、液氬閃爍特性、放射源刻度等細節問題進行了詳細的研究[24,43,44].該實驗組利用1 m3的液氬反符合原型機進行測試.到2015 年,GERDA 實驗組對液氬反符合系統的測試工作基本結束,測試過程中使用228Th,226Ra和60Co 源進行反符合性能測試,圖4 為使用60Co源測試的結果[45],測試結果表明液氬反符合系統的應用可以達到GERDA Ⅱ期本底至少降低1 個數量級的實驗需求.

圖4 60Co 源測試能譜[45]Fig.4.The energy spectrum of 60Co source[45].

GERDA I 期實驗液氬僅作為冷卻介質,Ⅱ期實驗相較于Ⅰ期最大的改進就是加入了液氬反符合系統,實驗裝置如圖5 所示[46].實驗主探測器采用高純鍺探測器陣列,高純鍺探測器放置在直徑為4 m,體積為64 m3的低溫恒溫器中,低溫恒溫器中充滿液氬.液氬可以作為冷卻介質和提供被動屏蔽,而裝配的PMT 和SiPM 可以用于接收液氬產生的閃爍光信號,用于和高純鍺探測器產生的信號進行反符合.包圍著低溫恒溫器的是直徑為10 m,體積為590 m3的水箱,水箱外配備PMT,用來收集宇宙線μ子產生的切倫科夫光.

圖5 GERDAⅡ期實驗裝置圖 (a) 鍺探測器陣列和液氬反符合系統裝置圖[46];(b)實驗整體裝置圖[46]Fig.5.GERDA phase Ⅱ experimental setup: (a) Diagram of germanium detector array and liquid argon veto system[46];(b) the overall setup[46].

Ⅱ期實驗的數據采集于2019 年11 月結束,加入了液氬反符合系統之后,對本底信號的抑制效果十分明顯,本底水平較Ⅰ期實驗降低了2 個數量級[9],并首次在ROI 區域實現“零本底”[47].Ⅱ期數據結果如圖6 所示,可以看到應用液氬反符合系統后,低能區能譜出現明顯的76Ge 的雙中微子雙貝塔衰變事件輪廓[9].Ⅱ期結果將76Ge 的無中微子雙貝塔衰變半衰期的下限提高了1 個數量級,這也是目前世界上76Ge 無中微子雙貝塔衰變的最好結果[9].

圖6 GERDAⅡ期實驗結果[9]Fig.6.Results of GERDA phaseⅡ experiment[9].

3.2.2 LEGEND 實驗

LEGEND 實驗組由GERDA 實驗組和MAJORANA 實驗組合并而成.這兩個實驗組都是用高純鍺探測器探測76Ge 的無中微子雙貝塔衰變,各自有他們較為優勢的技術.GERDA 實驗組的主要技術在于將液氬反符合系統和PSD 技術應用于本底信號的抑制,而MAJORANA 實驗組則采用具有超低本底的地下電鑄銅來作為探測器以及被動屏蔽裝置的原材料[48].LEGEND 實驗組將兩個實驗組的裝置和技術吸收,提出了LEGEND-200 和LEGEND-1000 實驗計劃.

LEGEND-200 是GERDA 實驗組和MAJORANA 實驗組合并后開展的第一項實驗計劃,預計將兩個實驗組的高純鍺探測器加上新制造的鍺探測器共200 kg 左右投入使用,繼續探測76Ge 的無中微子雙貝塔衰變事例.實驗將以GERDA 實驗組的探測器系統為主要框架,繼續在LNGS 進行.LEGEND-200 將在GERDA 的基礎上進一步升級液氬反符合系統.首先是在新系統中加入液氬監測儀,用來監控液氬的純度、雜質成分等信息.然后是在光讀出方面,將全部采用SiPM 加光纖讀出的方式,同時優化為雙端讀出,以減少閃爍光在光纖中傳輸的損失[49].在新的光學活性材料方面,LEGEND 實驗組也在對聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate,PEN)材料進行深入的研究.根據研究結果,PEN 可以作為液氬的移波劑,也可以作為閃爍體材料用來抑制本底[50].未來LEGEND 實驗組考慮使用PEN 代替現有的非光學活性材料作為探測器外部的支撐和屏蔽材料,對于PEN 的進一步研究依然在進行當中.LEGEND-200 實驗儀器已經組裝完畢,預計將于近期開始采集物理數據.

LEGEND-1000 是LEGEND 實驗組長期規劃的實驗項目,計劃用4 組250 kg 重的鍺探測器進行76Ge 的無中微子雙貝塔衰變事例探索.LEGEND實驗組借鑒DarkSide 實驗組,準備在LEGEND-1000 項目中使用地下氬作為液氬反符合探測器的原材料,屆時探測器的本底又將獲得大幅下降.

3.2.3 中國無中微子雙貝塔衰變實驗

近年來,隨著中國錦屏地下實驗室的建成和投入使用,中國的無中微子雙貝塔衰變實驗也陸續開展.主要是清華大學主導的CDEX 實驗組和上海交通大學主導的PandaX 實驗組.

CDEX 實驗組利用高純鍺探測器同時進行暗物質探測實驗和76Ge 的無中微子雙貝塔衰變實驗.該實驗組采用點電極高純鍺探測器方案,研制了CDEX-1探測器,這是一種p 型點電極高純鍺探測器,質量約994 g,直徑和高度均為62 mm[51],探測器外安裝NaI 閃爍體探測器作為反符合裝置.CDEX 實驗組利用CDEX-1 探測器給出了中國第一個基于76Ge 的無中微子雙貝塔衰變的結果[51],除此以外,也得到了一系列暗物質探測結果[52-54].之后CDEX 設計建造了CDEX-10 探測器,CDEX-10是在CDEX-1 基礎上,將CDEX-1 所用高純鍺晶體串成陣列,一共包含3 個陣列,每個陣列包含三個鍺晶體.CDEX-10 探測器用20 cm 厚的高純無氧銅包圍,然后整體浸在液氮中采集數據[55].目前還在利用CDEX-10 探測器采集的實驗數據進行分析工作,已經給出了暗物質探測相關的數據分析結果[55,56].接下來CDEX 實驗組計劃開展CDEX-50 和CDEX-300ν 項目分別繼續開展暗物質探測和無中微子雙貝塔衰變搜索.其中CDEX-300ν 計劃使用225 kg的寬能鍺探測器進行無中微子雙貝塔衰變搜索,預計將76Ge 的無中微子雙貝塔衰變的半衰期下限提升到1027a 量級[57].CDEX-300ν相較之前的實驗將做出大量升級,除了采用寬能鍺探測器、完善脈沖形狀甄別技術等改進之外,最重要的是將加入液氬反符合系統,從而進一步降低實驗的本底水平[57].

PandaX 實驗組使用兩相氙投影室來探測暗物質以及尋找136Xe 的無中微子雙貝塔衰變.該實驗組首先建造了PandaX-Ⅰ探測器,這是基于兩相氙的時間投影室,探測器內包含120 kg 的液氙[58].該實驗組基于PandaX-Ⅰ獲得了初步的暗物質探測結果[58].之后PandaX 實驗組將探測器升級為PandaX-Ⅱ,在PandaX-Ⅰ的基礎上將液氙的質量增加到580 kg[59].獲得了中國第一個136Xe 的無中微子雙貝塔衰變的結果[59],同時獲得了暗物質探測的一些結果[60].最近,PandaX 實驗組再一次將探測器升級為PandaX-4T,探測器相比之前的整體尺寸擴大,而液氙的質量也增加到3.7 t[61].目前已經對PandaX-4 T 探測器進行了試運行,并獲得了初步的暗物質探測結果[61].未來他們將利用PandaX-4 T 探測器給出更好的暗物質探測的結果.除此以外,他們還設計了PandaX-Ⅲ探測器,希望用高壓氙氣投影室進行136Xe 的無中微子雙貝塔衰變搜索[62].第一階段計劃使用200 kg 的氙氣,后續考慮升級為噸級實驗.目前已經完成了20 kg樣機的建造,并獲得了初步的測試結果,預計很快就會進入物理數據采集階段[62].

3.2.4 小 結

由于氬的同位素中沒有能發生雙貝塔衰變的核素,目前液氬探測器沒有在無中微子雙貝塔衰變實驗中得到直接應用.高純鍺探測器、兩相氙探測器、極低溫量熱器在無中微子雙貝塔衰變中應用較多.相對于后兩種探測器,高純鍺探測器的目標能量較低、不具備粒子甄別能力,因而本底抑制工作難度較大.目前各實驗組都采用被動屏蔽的方式降低本底,如使用深地實驗室、選用放射性極低的原材料,MAJORANA 實驗組地下電鑄銅技術已經使得本底大幅降低.但是對于未來的噸量級實驗,僅僅依靠被動屏蔽是遠遠不夠的.GERDA Ⅱ期實驗使用液氬反符合系統使本底水平降低2 個數量級,充分顯示了主動反符合系統在高純鍺探測器無中微子雙貝塔衰變實驗應用的效果.未來的高純鍺探測器噸級實驗旨在將76Ge 的無中微子雙貝塔衰變半衰期下限提高到1028a 量級,也就是將中微子有效質量的上限限制到約10 meV.從GERDA實驗組的結果來看,想要達到這樣的靈敏度必須繼續沿用主動反符合裝置進一步降低本底.而液氬由于自身的物理性質,本身可以作為高純鍺探測器的低溫冷卻裝置和被動屏蔽裝置.同時由于液氬的閃爍性能,尤其是粒子甄別能力,液氬探測器也是作為高純鍺探測器無中微子雙貝塔衰變實驗的反符合裝置的極佳選擇.

3.3 中微子-核子相干彈性散射實驗

1974 年,理論物理學家Daniel Freedman[3]提出了中微子-核子相干彈性散射的理論.理論認為,中微子和其他基本粒子,如光子、電子一樣具有波粒二象性.當中微子的能量較低時,它可以與原子核內的核子發生相干作用,即發生所謂的CEνNS過程.研究表明,在中微子與物質的反應道中,CEνNS的反應截面要顯著高于其他反應[63],因此對CEνNS現象的探測對于研究中微子物理有關課題有重要的意義.為了研究不同靶核與中微子的相互作用,各個實驗組采用不同的探測器對CEνNS 現象進行研究,其中COHERENT 實驗組使用液氬探測器,研究了氬核與中微子的作用.另外中國科學院高能物理研究所也計劃采用液氬探測器開展CEνNS相關研究工作.

3.3.1 COHERENT 實驗

國際合作組COHERENT 在美國橡樹嶺國家實驗室利用散裂中子源探測CEνNS 事例.2017 年,COHERENT 實驗組首次用CsI(Na)探測器探測到了CEνNS 的事例[63].為了探究不同靶核的CEνNS過程,2016 年末,該實驗組研制了CENNS-10探測器,探究使用液氬探測器繼續進行CEνNS 事例的探測的可行性.探測器整體設計為圓柱形,丙烯酸容器內壁涂TPB 作為移波劑,充滿水作為被動屏蔽裝置.裝載液氬的低溫恒溫器浸在水中,直徑248 mm,高425 mm,頂部和底部各安裝一個PMT 用于讀出液氬閃爍光[10].

2017 年2 月到5 月,該實驗組使用29 kg 的CENNS-10 探測器進行了首次正式數據采集,對數據分析后,觀測到了候選CEνNS 事件[10].這一方面證實了之前用CsI (Na)探測器的測量結果的可靠性,另一方面也說明了使用液氬閃爍體探測器觀測CEνNS 事例的可行性.未來COHERENT 實驗組將繼續對CENNS-10 探測器深入研究,并開展后續探測工作.

3.3.2 Taishan 實驗

中國科學院高能物理研究所2020 年開始規劃在臺山核電站附近部署探測器,進行反應堆中微子CEνNS 測量和其他中微子相關課題研究.他們借鑒DarkSide 實驗組,計劃使用兩相氬TPC 探測CEνNS 事例,外部則使用液氬閃爍體探測器作為主動反符合裝置[64].TPC 中氬的質量約為200 kg,TPC 外除了有液氬反符合探測器和塑料閃爍體作為主動反符合裝置外,還使用了鉛、銅、聚丙烯等被動屏蔽材料來減少本底信號的影響.

目前,該項目主要在進行前期的設計和測試工作.他們對實驗過程中可能產生的本底信號進行了模擬,來對比加入液氬反符合系統前后本底信號強度的變化.實驗中主要的本底信號包括兩部分,一部分來自238U,232Th 和40K 等天然放射鏈,另一部分來自氬中固有的39Ar 和85Kr 本底.根據相關研究表明,AAr 的39Ar 本底要遠遠高于UAr,因此該項目預備采用UAr 作為氬TPC 的主要原料.而U,Th 和K 等天然放射鏈產生的γ或中子本底就主要通過液氬反符合系統來排除.項目組對反符合效果進行了模擬,模擬結果表明除了39Ar 和85Kr產生的本底外,液氬反符合系統使其他本底計數降低到原來的1/3 左右,抑制效果十分明顯[64].

除了對液氬反符合系統的反符合效率模擬外,項目組還對氬閃爍光信號的讀出系統進行了測試[65,66].該項目計劃使用SiPM 來讀出氬閃爍光信號,因此對SiPM 在液氬溫度(87 K)下的擊穿電壓、暗計數率、相對量子效率等性能進行了測試.測試結果表明選用的SiPM 可以滿足低溫條件下進行低本底探測的需求.

該項目的測試工作依然在持續,一旦該項目測試完畢開始采集數據,這將是極少的在CEνNS 探測工作中使用液氬反符合系統的實驗項目.

3.3.3 小 結

CEνNS 是MeV 量級中微子與物質的主要相互作用過程,它為研究中微子基本性質、超標準模型相互作用等提供了重要途徑.COHERENT 實驗組第一次發現CEνNS 現象是在CsI(Na)探測器上,在證實CEνNS 現象存在后,為了研究反應截面與核內中子數的關系,輕核與中微子的相干彈性散射的研究逐步展開.液氬探測器由于成本較低、探測效率較高,且氬核與中微子的相互作用正是輕核與中微子相互作用的良好研究對象,因此COHERENT 實驗組在2017 年成功發現CEνNS 后立刻研制液氬探測器研究氬核與中微子的相干彈性散射現象.相較于散裂中子源中微子,反應堆中微子的能量更低,因此同暗物質直接探測類似,反應堆CEνNS 測量對探測器閾值、本底、體量的要求更高.從DarkSide 實驗可以看出液氬探測器在這方面的優勢,這也是Taishan 實驗采用液氬探測器原因.

4 討論

液氬探測器已經在多個稀有事例探測實驗中得到應用并取得了良好的實驗結果,同時稀有事例探測也在不斷地推動著液氬探測的發展優化.表4列出了各個實驗組針對液氬探測器優化完成的工作和未來的規劃.下面從曝光量、本底水平、反符合探測等角度討論稀有事例探測實驗中液氬探測器的獨特優勢和其未來主要的優化方向.

表4 液氬探測器優化和升級Table 4.Optimization and upgrade of liquid argon detector.

4.1 曝光量

稀有事例探測中,曝光量是影響事例率的主要因素.從探測器的改進方向考慮,增大曝光量的有效方法就是提高探測器的有效質量.目前高純鍺探測器、極低溫量熱器等固體探測器可以達到百公斤量級.如LEGEND 實驗組正在運行的LEGEND-200 項目中高純鍺總質量達到了200 kg.采用TeO2極低溫量熱器來搜索無中微子雙貝塔衰變事例的稀有事例低溫地下實驗室 (cryogenic underground laboratory for rare events,CUORE)經過多次升級,目前探測器總質量達到了700 kg[67].相比之下,液態惰性氣體探測器的探測介質為液態,更易于提高探測器的質量.以液氬探測器為介質的實驗組已實現噸級探測器的應用.如DEAP 實驗組目前使用的探測器質量已超過3000 kg,DarkSide 實驗組正在規劃建設質量達20 t 的液氬探測器.

此外,成本也是提高探測器質量必須考慮的因素.相較于高純鍺等其他類型探測器,液態惰性氣體的獲取難度和成本較低.因此,未來液氬探測器等液態惰性氣體探測器仍將在提高實驗曝光量方面發揮其優勢.

4.2 本底水平

降低本底水平是稀有事例探測研究的重中之重.稀有事例探測實驗的本底包括探測器外部本底和探測器內部本底.外部本底主要來自宇宙射線、宇生核素以及周圍環境中的天然放射性核素等,它們會產生μ子、中子、γ射線等常見本底信號.內部本底主要來自探測器靈敏介質及其支撐結構材料產生的放射性,會產生中子和γ射線等本底信號.對于外部本底,可以通過被動屏蔽裝置來降低,如在探測器裝置外部加入鉛、聚乙烯等可以吸收外部中子或伽馬的屏蔽材料,也可以通過引入主動反符合系統來抑制本底信號.而對于內部本底,就只能通過優化探測器制造工藝,提高靈敏介質純度,以及選擇低本底結構材料來盡可能降低本底.

對于液氬探測器來說,外部本底除了用各種屏蔽材料阻擋外,液氬具有自屏蔽效應,外圍液氬本身可作為屏蔽體,阻擋外部的本底.內部本底主要來自39Ar 的放射性.由于Q值較低,39Ar 的β 衰變的連續譜對于暗物質探測影響較大.39Ar 是宇生核素,故在大氣中提取的氬中39Ar 含量較高,大氣氬中39Ar 的比活度約1 Bq/kg[31].而采用地下氬可以盡量避免40Ar 與宇宙線發生反應,從而大幅減少39Ar 本底.目前DarkSide 實驗組已經建立了從提取,到純化,再到氬同位素分離的完整的地下氬生產流程.使用的UAr 不僅本身的氬純度較高,而且對39Ar 等氬同位素本底的控制也達到了較高水平[36],該實驗組提取的原始地下氬中39Ar 的含量約是大氣氬的10—3,再經過低溫精餾裝置,持續對氬中的39Ar 進行分離,最終進入探測器中的39Ar 的比活度僅為10—1mBq/kg 量級.目前DarkSide 實驗組對UAr 的應用已經開展了系統的研究,按計劃,DarkSide-20 k 項目中將完全使用UAr 開展實驗.其他使用液氬探測器的實驗組也在考慮在未來的實驗規劃中使用UAr,比如LEGEND 實驗組就計劃在LEGEND-1000 項目中使用UAr.未來對UAr的生產和應用將是液氬探測器相關實驗組的一項重要課題.

4.3 光讀出方案

對于液氬探測器自身性能而言,閃爍光產額的提升和閃爍光的有效收集是重要的研究方向.光產額提升主要在于提高液氬純度,如DEAP,DarkSide等實驗組都開發了完善的液氬純化和循環系統,來維持液氬的高純度.DEAP 實驗組DEAP-3600 探測器的液氬純化系統主要部分包括熱金屬吸收劑和木炭捕集器.前者主要是為了吸收CO2,H2O,O2,N2等電負性雜質,后者是為了去除氡和其他放射性雜質[5].DarkSide 實驗組的液氬純化系統主要由三個部分組成,其中前兩個部分都是為了去除CO2,因為氬的原始提取是在CO2氛圍中進行的.第三個部分去除CH4,N2,Kr 等其他雜質.經過純化后氬中的電負性雜質濃度可以控制到10—9量級[36].而LEGEND 實驗組計劃加入的液氬監測儀也是為了實時了解液氬純度,以便在純度降低時做出調整.

對于閃爍光的有效收集,主要是對閃爍光信號讀出方案的優化.可以看到多數實驗組讀取液氬閃爍光信號采用的還是波長移位劑加光電倍增管的方式,隨著近年SiPM 的迅速發展,部分實驗組開始用SiPM 代替傳統的PMT,如GERDA Ⅱ期實驗的部分閃爍光信號已經采用SiPM 讀出的方案.DarkSide 實驗組也對SiPM 讀出方案進行了設計和測試,研究了SiPM 在低溫環境下的讀出性能,以及用SiPM 直接讀出近紫外光信號的可行性.測試結果表明光探測效率可達到40%,暗計數率小于0.1 Hz/mm2[39].未來使用SiPM 在低溫下直接讀出液氬閃爍光的方案可能成為各個液氬探測器實驗組的研究方向.

4.4 反符合探測

主動反符合是稀有事例探測實驗中抑制本底的重要手段.主動反符合系統本身引入的本底不能太高,否則會影響整個系統的本底扣除效果.例如GERDA,DEAP 等實驗組在探測器系統中都配備了水切倫科夫探測器,用于進行μ子反符合,而探測器采用的介質是超純水,目的就是為了盡可能不引入更多的其它本底.反符合系統性能可通過模擬、實驗的方法來預估.GERDA 實驗組從21 世紀初就開始探索液氬閃爍體探測器作為高純鍺探測器的反符合探測器的可行性,他們進行了大量的模擬以及實驗工作,對探測器周圍可能存在的本底以及加入液氬反符合系統后對本底的抑制效果進行了研究.

此外,尚在規劃和建設中的中國科學科院高能物理研究所Taishan 反應堆中微子研究也計劃在CEνNS 事例探索項目中加入液氬反符合系統,模擬結果顯示加入液氬反符合系統后,除39Ar 和85Kr產生的本底外,其他的本底都可以被很好地抑制[64].而39Ar 本底可以通過使用地下氬來降低,85Kr 本底可以通過低溫蒸餾方法降低.主動反符合系統是未來的稀有事例探測實驗中重要的一環.

5 結論

稀有事例探測是當今粒子物理與原子核物理的前沿課題,由于稀有事例探測對探測器性能、環境本底等有極高的要求,所以對探測器和其他材料的選擇尤為重要.由于液氬探測器相對于傳統技術的成本、本底水平較低、對體積限制較小等獨特優勢,無論是單相液氬閃爍體探測器還是兩相氬TPC,都在近些年越來越多的受到國內外稀有事例探測相關實驗組的關注.DEAP,DarkSide 等實驗組已對液氬相關探測器進行了多年的研究和測試,并應用在暗物質探測實驗中,GERDA 實驗組將液氬探測器作為主動反符合系統的設計在高純鍺探測器的無中微子雙貝塔衰變實驗中取得良好效果,而COHERENT 實驗組也利用液氬探測器測量到了氬核的CEνNS 過程.

為了適應未來更大質量探測器設計和更靈敏的探測需求,液氬探測器也在不斷的優化中.未來將有更多的實驗組采取地下氬技術來減少氬同位素本底的影響,同時對于液氬中其他雜質的濃度控制也將向ppb (parts per billion,10—9)數量級邁進.而SiPM 的大量測試和應用也為液氬光讀出方案的改進提供了明確方向,在液氬閃爍光波段直接用SiPM 讀出技術的研發預期是下一代液氬探測器優化的一個重要方向.而對于反符合探測方面,GERDA 實驗組的Ⅱ期實驗和后續的研究為下一代稀有事例探測實驗提供重要技術支撐,目前我國CDEX 的0νββ 探測計劃和中國科學院高能物理研究所在臺山的CEνNS 項目正基于上述國際領先實驗組的技術進行液氬反符合系統的可行性研究.液氬探測器在實現進一步優化和升級后將繼續在未來噸量級的稀有事例探測實驗中發揮重要作用.