暗物質探測器模擬器

什麼是暗物質探測？

暗物質佔宇宙總質量的85%，但它完全不可見。深埋地下的探測器使用液態氙來捕捉暗物質粒子撞擊普通原子的極其罕見的瞬間——就像感受一股看不見的宇宙之風。

為什麼這很重要？理解暗物質將徹底改變物理學，揭示我們宇宙的隱藏結構。LZ實驗——世界上最靈敏的探測器——比早期探測器靈敏300萬倍。

🎯 模擬器提示

📚 術語表

WIMP

弱相互作用大質量粒子－暗物質的主要理論候選者。 WIMP 的質量與重原子相當，但僅透過重力和弱核力相互作用，這使得它們極難被偵測到。

Liquid Xenon TPC

時間投影室充滿超純液態氙。當粒子與氙相互作用時，它會產生光（閃爍）和自由電子，從而可以對事件位置和能量進行 3D 重建。

Nuclear Recoil

原子核被入射粒子撞擊後的反彈。暗物質搜尋尋找因 WIMP 碰撞而反沖的氙核，從而產生特徵光和電荷訊號。

CEvNS

相干彈性中微子核散射－中微子與整個原子核而非單一核子相互作用的過程。它於 2017 年首次被觀察到，它產生的訊號可以模仿暗物質。

Neutrino Fog

中微子訊號（特別是來自太陽中微子）的背景在非常低的能量下與潛在的暗物質訊號無法區分，為探測器創造了基本的靈敏度底線。

Cross Section

兩個粒子相互作用的機率的度量。在暗物質物理學中，它量化了 WIMP 從原子核散射的可能性。以平方公分 (cm²) 或皮巴恩為單位測量。

Background Events

可以模擬 WIMP 訊號的非暗物質相互作用，包括宇宙射線、探測器材料的放射性衰變和中微子相互作用。降低背景是偵測器靈敏度的關鍵。

Scintillation

當粒子在材料中沉積能量時發出光。在液氙探測器中，初始閃光 (S1) 和漂移電子的延遲訊號 (S2) 都會被記錄下來。

Fiducial Volume

偵測器的內部區域是測量最可靠的區域，遠離偵測器壁背景輻射較高的邊緣。

Discrimination

根據光與電荷訊號的比率區分核反沖（潛在暗物質訊號）和電子反沖（背景）的能力。

GeV/c²

千兆電子伏特除以光速的平方－粒子物理學中所使用的質量單位。一個質子的質量約為 0.938 GeV/c²。假設 WIMP 的範圍從幾個 GeV/c² 到幾 TeV/c²。

SURF

桑福德地下研究設施 — 位於南達科他州利德市，位於前 Homestake 金礦地下近一英里 (1,478m) 處。 LZ 實驗的所在地。

🏆 關鍵人物

Fritz Zwicky (1933)

1933年根據後髮星系團的觀測首次提出暗物質（dunkle Materie）的存在

Vera Rubin (1970s)

透過對星系旋轉曲線的詳細測量，為暗物質提供了令人信服的證據，顯示恆星的軌道運行速度比單獨可見物質可以解釋的要快

Rick Gaitskell (2022-present)

布朗大學 LZ 實驗發言人領導了這項合作，在他的職業生涯中使探測器靈敏度提高了 300 萬倍

Chamkaur Ghag (2024)

LZ 駐倫敦大學學院的國際發言人，領導了 WIMP 搜尋分析和探測器開發的關鍵方面

Ray Davis Jr. (1968)

諾貝爾獎得主、中微子物理學家在南達科他州同一個洞穴中進行了數十年的 Homestake 實驗，現在 LZ 就在這裡

Dan McKinsey (2012)

在加州大學柏克萊分校/勞倫斯柏克萊國家實驗室共同創立了 LZ 實驗並首創了液態氙檢測器技術

Hugh Lippincott (2024-2025)

UCSB 實驗物理學家和 LZ 重要合作者，幫助設定了 WIMP 暗物質特性的界限

🎓 學習資源

Searches for Light Dark Matter and Evidence of CEvNS of Solar Neutrinos with the LZ Experiment
2025 年 12 月的結果來自 417 天的即時數據——對低品質 WIMP 的世界領先限制，以及透過 CEvNS 發現硼 8 太陽中微子的第一個有力證據 (arXiv:2512.08065)
The XLZD Design Book
下一代液氙暗物質和中微子物理觀測站的設計規範（歐洲物理雜誌 C，2025）
First Dark Matter Search Results from the LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment
60 天的初步結果顯示 LZ 是世界上最靈敏的 WIMP 探測器（《物理評論快報》，2023 年）
LZ Experiment Official Site
LUX-ZEPLIN 暗物質實驗的官方網站，包含出版物、新聞和探測器詳細信息
Sanford Underground Research Facility
LZ 營運的南達科他州地下實驗室位於地表以下近一英里
Particle Data Group - Dark Matter Review
世界權威粒子物理資料對暗物質理論和實驗搜尋的全面回顧

💬 畀學習者嘅話

暗物質是科學中最大的謎團之一——我們知道它正在塑造宇宙，但我們從未直接捕捉到它。像LZ這樣的實驗的每一個無效結果都不是失敗；這距離了解暗物質的真正意義又更近了一步。您正在模擬的探測器代表了人類數十年的聰明才智以及來自 37 個機構的 250 名科學家的合作。也許您會受到啟發，加入下一代暗物質獵人的行列。請記住：宇宙大多是看不見的，發現隱藏在黑暗中的東西可能會重塑我們對現實的了解。