暗物质探测器模拟器

什么是暗物质探测？

暗物质占宇宙总质量的85%，但它完全不可见。深埋地下的探测器使用液态氙来捕捉暗物质粒子撞击普通原子的极其罕见的瞬间——就像感受一股看不见的宇宙之风。

为什么这很重要？理解暗物质将彻底改变物理学，揭示我们宇宙的隐藏结构。LZ实验——世界上最灵敏的探测器——比早期探测器灵敏300万倍。

🎯 模拟器提示

📚 术语表

WIMP

弱相互作用大质量粒子——暗物质的主要理论候选者。 WIMP 的质量与重原子相当，但仅通过重力和弱核力相互作用，这使得它们极难被探测到。

Liquid Xenon TPC

时间投影室充满超纯液态氙。当粒子与氙相互作用时，它会产生光（闪烁）和自由电子，从而可以对事件位置和能量进行 3D 重建。

Nuclear Recoil

原子核被入射粒子撞击后的反弹。暗物质搜索寻找因 WIMP 碰撞而反冲的氙核，从而产生特征光和电荷信号。

CEvNS

相干弹性中微子核散射——中微子与整个原子核而不是单个核子相互作用的过程。它于 2017 年首次被观察到，它产生的信号可以模仿暗物质。

Neutrino Fog

中微子信号（特别是来自太阳中微子）的背景在非常低的能量下与潜在的暗物质信号无法区分，为探测器创造了基本的灵敏度底线。

Cross Section

两个粒子相互作用的概率的度量。在暗物质物理学中，它量化了 WIMP 从原子核中散射的可能性。以平方厘米 (cm²) 或皮巴恩为单位测量。

Background Events

可以模拟 WIMP 信号的非暗物质相互作用，包括宇宙射线、探测器材料的放射性衰变和中微子相互作用。降低背景是检测器灵敏度的关键。

Scintillation

当粒子在材料中沉积能量时发出光。在液氙探测器中，初始闪光 (S1) 和漂移电子的延迟信号 (S2) 都会被记录。

Fiducial Volume

探测器的内部区域是测量最可靠的区域，远离探测器壁背景辐射较高的边缘。

Discrimination

根据光与电荷信号的比率区分核反冲（潜在暗物质信号）和电子反冲（背景）的能力。

GeV/c²

千兆电子伏特除以光速的平方——粒子物理学中使用的质量单位。一个质子的质量约为 0.938 GeV/c²。假设 WIMP 的范围从几 GeV/c² 到几 TeV/c²。

SURF

桑福德地下研究设施 — 位于南达科他州利德市，位于前 Homestake 金矿地下近一英里 (1,478m) 处。 LZ 实验的所在地。

🏆 关键人物

Fritz Zwicky (1933)

1933年根据对后发星系团的观测首次提出暗物质（dunkle Materie）的存在

Vera Rubin (1970s)

通过对星系旋转曲线的详细测量，为暗物质提供了令人信服的证据，显示恒星的轨道运行速度比单独可见物质可以解释的要快

Rick Gaitskell (2022-present)

布朗大学 LZ 实验发言人领导了这项合作，在他的职业生涯中使探测器灵敏度提高了 300 万倍

Chamkaur Ghag (2024)

LZ 驻伦敦大学学院的国际发言人，领导了 WIMP 搜索分析和探测器开发的关键方面

Ray Davis Jr. (1968)

诺贝尔奖得主、中微子物理学家在南达科他州同一个洞穴中进行了长达数十年的 Homestake 实验，现在 LZ 就在这里

Dan McKinsey (2012)

在加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室共同创立了 LZ 实验并首创了液氙检测器技术

Hugh Lippincott (2024-2025)

UCSB 实验物理学家和 LZ 重要合作者，帮助设定了 WIMP 暗物质特性的界限

🎓 学习资源

Searches for Light Dark Matter and Evidence of CEvNS of Solar Neutrinos with the LZ Experiment
2025 年 12 月的结果来自 417 天的实时数据——对低质量 WIMP 的世界领先限制，以及通过 CEvNS 发现硼 8 太阳中微子的第一个有力证据 (arXiv:2512.08065)
The XLZD Design Book
下一代液氙暗物质和中微子物理观测站的设计规范（欧洲物理杂志 C，2025）
First Dark Matter Search Results from the LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment
60 天的初步结果表明 LZ 是世界上最灵敏的 WIMP 探测器（《物理评论快报》，2023 年）
LZ Experiment Official Site
LUX-ZEPLIN 暗物质实验的官方网站，包含出版物、新闻和探测器详细信息
Sanford Underground Research Facility
LZ 运营的南达科他州地下实验室位于地表以下近一英里
Particle Data Group - Dark Matter Review
世界权威粒子物理数据对暗物质理论和实验搜索的全面回顾

💬 给学习者的话

暗物质是科学中最大的谜团之一——我们知道它正在塑造宇宙，但我们从未直接捕捉到它。像LZ这样的实验的每一个无效结果都不是失败；这距离了解暗物质的真正含义又近了一步。您正在模拟的探测器代表了人类数十年的聪明才智以及来自 37 个机构的 250 名科学家的合作。也许您会受到启发，加入下一代暗物质猎人的行列。请记住：宇宙大多是看不见的，发现隐藏在黑暗中的东西可能会重塑我们对现实的了解。