文|史说百家

编辑|史说百家

气泡室是探测亚原子粒子的一种装置，它是美国物理学家格拉泽在1952年发明的，该项发明使格拉泽获得了1960年的诺贝尔物理学奖。

气泡室实质上是一个液体容器，其中液体的温度高于这种液体的沸点，我们常常用这种仪器来研究亚原子离子的运行。

气泡室是如何捕获高速粒子轨迹的？它的建造又有什么秘密？

这种仪器在运行的时候，液体处于高压状态，所以它实际上并不沸腾，但是如果压力降低，液体就会沸腾，并在液体中出现蒸汽的气泡。

假定有一个像质子或介子这样的亚原子粒子冲进这样一个气泡室的液体中，它就会同液体中的原子和分子发生碰撞，并把自己的一部分能量转移给它们。

在这个液体中，亚原子粒子经过的路线上的原子和分子就会比其他原子和分子稍稍热一些，这样如果降低液体所受到的压力，蒸汽的气泡就会先沿着亚原子粒子途径上留下能量的那条路线形成。

因此会有一条可以见到的气泡径迹指示出那个粒子是从哪里经过的，这种径迹很容易拍成照片，这种可见的径迹可以告诉物理学家许多原理，要是气泡室放在强磁体的两个磁极之间，就更是如此。

那些能够留下气泡径迹的粒子总是带电的——带正电或带负电，如果它们带的是正电，那么在磁体的影响下，它们的路径就会朝一个方向弯曲。

如果它们带负电，它们的路径就朝相反的方向弯曲。

物理学家从粒子们的运动路径弯曲得厉害不厉害，就能确定它们的运动速率，从这一点以及径迹的粗细等等，又能确定出那个粒子的质量。

当一个粒子衰变成两个以上的粒子时，它的径迹就会分叉，在粒子发生碰撞的情况下，径迹也会分叉，在一张特定的气泡室照片中，会出现大量径迹。

有粒子相遇的，有粒子分开的，还有些是分叉的，有时在一个径迹图形的几个部分之间还有些空白，这些空白就必定要用某种不带电的粒子来解释，因为不带电粒子在气泡室中运动时不会留下可见的径迹。

各种径迹的这种复杂的组合对于原子核物理学家来说，就像雪地上各种动物留下的足迹对于有经验的猎人那样富有意义。

从这些径迹的性质，物理学家就可以辨认出所碰到的是些什么粒子，或者指出他是否发现了某种全新的粒子。

对重子和暗物质丰度的测量证明了现代宇宙学的观测，引发了两个悬而未决的问题，即暗物质的性质和当今宇宙中观察到的物质或反物质不对称性的起源。

实验通过直接检测暗物质的核子散射，同时精确测量相干弹性中微子的核散射，（CENS）横截面可以为解决物质或者反物质的不对称性提供提示。

液贵金属气泡室是一项非常宝贵的技术，能够测量、直接检测搜索CE中所被预期的低能量，亚keV核反冲特征为NS所测量，许多暗物质候选者，包括相互作用大质量粒子（WIMP），就是经过该技术填充了1-10 GeV / c。

质量范围因此会产生 1 keV 核后坐力，这个质量范围对于暗物质（ADM）模型特别感兴趣，所以该模型自然有利于扩大暗物质粒子质量的几倍，并认为暗物质和重子物质丰度的相似性不是巧合，而是作为光区和暗区中耦合物质或者反物质不对称的结果。

测量亚keV核后坐力的能力还为测量CE提供了机会，来自反应堆反中微子的NS其能量比停止介子源（SNS）产生的中微子低一个数量级。

这是新制度中超越标准模型的物理探测器，补充散裂源中的混合风味生产，典型助焊剂高达10的五次方倍比提供高统计信号的 SNS还要高。

闪烁气泡室（SBC）合作设计了一个10公斤的液态氩气气泡室，目标是100 eV的核反冲阈值，为更大的吨级实验做准备。

液体硅性质的气泡室既可扩展又无背景，这意味着该技术能够区分暗物质和CE的所有背景，在实验的整个生命周期内，NS信号可达到感兴趣信号区域中背景事件所需的水平。

闪烁的液体贵金属气泡室是COUPP和PICO用于搜索暗物质的适度过热氟利昂气泡室技术的延伸，用于暗物质搜索的气泡室最大优势是对电子反冲背景的内在不敏感，这是气泡成核热力学的直接结果。

在最简单的模型中，成核需要形成一个临界尺寸的原始气泡，以克服气泡表面张力产生的自由能垒，然后再增长到可见尺寸。

粒子相互作用可以通过局部加热流体来产生这种临界尺寸的原始气泡，如Seitz“热尖峰”模型中所述。

由于这种电子反冲不敏感以及能够在声学上区分剩余的α背景和核后坐力，PICO已可以成功探测低质量自旋依赖性WIMP-核子的横截面。

然而中度过热的氟利昂电子所发生的反冲不敏感性确实在1 keV 以下显著降低，导致诱导的核后坐力无法区分。

气泡室是阈值检测器，其中气泡被高于Seitz阈值的任何能量都会沉积成核，由于沉积的能量是未知的，因此无法区分高能和低能核后坐力，液源性气泡室通过使用液氩（LAr）作为目标流体来解决这两个问题。

在电离辐射下，LAr在真空紫外线中闪烁，提供测量沉积总能量的能力，并允许区分高能和低能核后坐力，LAr中的这种能量重建具有keV的分辨率。

相比之下，PICO测量的伴随气泡成核的声带信号给出了MeV能量分辨率，所以说闪烁信号可用于抑制高能背景事件，过热时，在LAr中沉积10 keV的核后坐力和α事件同时产生可测量的闪烁光并成核气泡。

在这些条件下的电子反冲只会产生光，对于感兴趣的核反冲区域≤10 keV，预期的信号是没有伴随闪烁而形成核的。

驱动SBC计划的关键对象在于，对过热惰性液体中电子反冲诱导所形成的气泡成核，而进行的基本附加抑制，使核反冲检测阈值比现有氟利昂探测器所能达到的阈值低一个数量等级或更多。

过热惰性液体中电子反冲没有气泡成核可能是反冲电子激发缺乏分子自由度的结果，在没有分子振动模式能量损失的情况下，粒子相互作用可以局部加热流体的唯一方法是通过单个原子的质心运动。

虽然这是通过原子与原子碰撞直接实现的，原子与原子碰撞是核后坐力能量损失的主要模式（例如，林德哈德效应），但弹性电子与原子碰撞的运动学使其成为电子能量损失的极低效手段。

相反，电子反冲能量几乎完全被光闪烁、红外辐射（包括电子原子散射产生的辐射）以及缓慢或不完全重组的电离带走。

首次通过核反冲的，同时检测闪烁和气泡成核是在30克氙气气泡室中进行的。

该图来自252Cf252Cf校准源所示，红色圈出的为可见气泡（顶部）以及随附的声学（中间）和闪烁（底部）信号。该探测器在500 eV的硬件限制阈值下稳定运行，没有证据表明电子反冲诱导的成核导致电子反冲抑制。

同一装置对来自88是光中子源，证实了Seitz模型在惰性液体中的核反冲检测阈值近似成立，阈值至少为1 keV，来自原型氙气气泡室的核反冲事件样本，图上为单个氙气气泡的立体图像（用红色圆圈出）。

图中间中是气泡形成的声学记录，下则显示氙气闪烁的PMT波形，气泡重合脉冲以红色显示，而同一气泡时间窗口中的电子反冲产生闪烁脉冲，没有重合气泡成核（灰色迹线）。

原型氙气泡室的电子反冲灵敏度作为过热度的函数（气泡成核的Seitz阈值），没有看到伽马源的气泡成核的证据。

导致（平方点）和没有（圆点）环境成核背景减法的置信区间为 90%，分子流体中的电子反冲抑制（PICO-60）与氙气室中的热物理性质相同，以红色显示。

在液体Xe原型成功的基础上，SBC合作的第一个物理级探测器SBC-LAr10目前正在费米国家加速器实验室投入使用，该设备的主要目的是表征液体贵性气泡室的低阈值性能，并进行广泛的校准活动。

与此同时，正在建造一个功能相同的探测器SBC-SNOLAB，重点是放射性纯结构，该探测器将部署在SNOLAB的地下进行暗物质搜索，这些腔室的设计符合下表中所示的规格。

SBC-LAr10 的实体模型渲染如下图所示，有效体积由 10 kg LAr 掺杂 10–100 ppm 氙组成，将闪烁波长移至 175 nm，基准体积尺寸∼⌀0.23米×0.28∼⌀0.23m×0.28175 nm 的光可以穿过熔融石英容器，在那里它将被 32 个向内硅光电倍增管 （SiPM） 阵列检测到。

SBC-LAr10将使用Hamamatsu VUV4 SiPM，而SBC-SNOLAB将使用FBK VUV-HD4，后者被发现具有较低的铀和钍含量，SiPM安装在铜板上，可最大限度地减少整个活动体积的垂直热梯度。

铜板周围是一层高密度聚乙烯（HDPE），用于隔热和中子屏蔽，内部探测器组件安装在不锈钢压力容器（0.39米×0.80.39m×0.8m） 用液态四氟化碳 （LCF） 回填44） 作为液压油。

八个锆钛酸铅压电换能器与容器底部接触（距离活动LAr体积约10厘米），以记录声发射，电阻式温度检测器放置在压力容器和HDPE中以监测温度，这是表1中给出的热力学调节所必需的。

LAr容积中的压力由外部安装的液压活塞控制，该液压活塞通过波纹管连接到压力容器，压力容器安装在真空夹套（⌀0.6米×2.0⌀0.6m×2.0m），并连接到 Cryomech AL14 低温冷却器的液氮热虹吸管进行冷却，压力容器具有用于摄像机的视口以及用于液体和电气连接的馈通件。

根据SBC-LAr10在建造和调试期间获得的经验，预计SBC-SNOLAB探测器将进行微小的设计修改。

然而，两个探测器都必须以至少±0.5 K和±0.1 bar的精度将目标体积保持在所需的过热状态（相当于目标工作条件下的±5 eV Seitz阈值），同时对潜在的气泡成核敏感。

当气泡成核确实发生时，腔室将被快速重新压缩，以将活性体积驱动回完全液态，必须实现精确调节和快速压缩，而不会将过热液体暴露在粗糙的表面上，从而导致虚假气泡成核。

SBC采用无缓冲液、双温度区策略来实现这一点，类似于PICO-40L和PICO-500使用的策略。

与所有低背景探测器一样，SBC-LAr10需要屏蔽才能运行;但是，这些要求对于SBC-SNOLAB探测器是不同的，以校准为重点的腔室SBC-LAr10将部署在费米实验室的MINOS近探测器大厅隧道中，地下约100米。

这将降低宇宙射线μ介子速率，其量足以允许低能量校准而无需额外的屏蔽，暗物质搜索室将部署在SNOLAB（在Gateway 1审查成功后，空间已分配在地下），以实现μ介子诱导的背景速率的更显着降低。

SBC中的气泡成核事件定义为腔室状态的完整循环，从稳定液体到过热液体，再到气泡形成，再回到稳定液体。

气泡形成后腔室的再压缩可以通过多个信号触发，包括气泡形成引起的压力上升或相机图像的实时分析以寻找像素密度的变化。

当不过热时，可以采用基于SiPM的触发器来记录LAr体积中的非成核闪烁事件，对于每个成核触发，来自声学换能器、SiPM和相机的数据必须实时保存并拼接在一起以形成单个事件。

第一个校准研究将确认在keV尺度上缺乏电子反冲成核，正如在Xe气泡室原型中观察到的那样，然后，可以在100 eV及以下研究电子反冲抑制，直至热力学极限。

对于 SBC，40 eV 的热力学极限定义为由于 LAr 体积的随机热波动而导致每吨年 1 次成核的点。

用来源，计划在广泛的核反冲能量范围内进行广泛的中子校准活动，光中子源可用于生成(1)keV 核后坐力，光子-核散射，低能康普顿散射极限，可以产生((100)eV 后坐力，在此之下，可以标记氩气上的热中子捕获以隔离≤(100)≤(100)eV 核后坐力。

中子标定活动可用于约束核反冲气泡成核效率作为固定热力学条件下反冲能量的函数，SBC和PICO合作共同开发了一种基于马尔可夫链蒙特卡洛的方法，将来自不同校准源的约束与系统不确定性的适当处理相结合。

该方法通过打破了与每个源测量相关的有害参数的简并性来更好地约束感兴趣的参数，在SBC中，这将用于在SBC-LAr20中实现核反冲气泡成核能量阈值的10%不确定性，足以确定LAr气泡室技术的暗物质范围，在5%水平上的进一步约束对于精度CE进行必要的NS 测量。

SBC-SNOLAB暗物质搜索探测器中的核后坐力背景预计将来自环境产生的快中子和（α，n）在检测器材料中的反应，散装LAr体积的衰变可以根据其较大的闪烁信号否决，单散射中子散射速率可以根据多散射率（多散射与单散射的中子之比大于1）来确定。

过剩γ-射线产生杂散光，但非成核，然而γ-大于1.3 MeV的射线可以诱导超过100 eV阈值的核后坐力，CE的预期率NS 散射自8B8B预计太阳中微子在SBC-SNOLAB感兴趣的核后坐力区域（2 eV至100 keV）中为∼10，暴露时间为10公斤。

SBC-LAr10探测器目前在费米实验室处于组装和调试阶段，在成功的低温系统测试之后，内部容器组件正在进行最后组装，并准备在MINOS隧道中运行。

所有容器内部组件都是一式两份构建的，这意味着SBC-SNOLAB的组件是额外准备的。在(1)年曝光 我们预计在低背景（地下和屏蔽良好）环境中可以实现准无背景操作，并指出在这些曝光下，太阳中微子CENS和潜在的暗物质信号成为彼此的背景，形成所谓的中微子雾。

因此，在吨年暴露的情况下，SBC计划从执行暗物质搜索转变为通过CE探索太阳中微子物理学。

SBC-SNOLAB探测器（虚线棕色）的自旋无关暗物质-核子横截面灵敏度，暴露时间为10 kg-yr和1吨-年，阈值为100 eV，以及当前排除的灰色参数空间。

来自DarkSide-50低于5 GeV/2和上面的氙气1T，这些投影假设除CE之外的背景为零NS信号，被视为具有零速率不确定性。

SBC-LAr10 腔室在 100 eV 阈值下还能够检测数十（数百）个 CE典型研究（动力）反应堆现场每天的NS事件，挑战在于找到一个具有足够覆盖层和屏蔽（或建立屏蔽的空间）的地点，以抑制宇宙和反应堆诱导的中子事件的速率低于CE。

墨西哥城附近的国家核研究所（ININ）TRIGA Mark III反应堆的中子环境与拉古纳佛得角一起被定性为潜在地点，ININ站点拥有1兆瓦th千具有可移动核心的反应堆允许3米的基线进入暴露室，3米的覆盖层可以屏蔽宇宙射线。

该技术在背景抑制方面非常有效，具有高统计 CENS散射可实现，中微子物理潜力同样大有可为。

参考文献

伯托内.胡珀：粒子暗物质。2016

博洛兹丁尼亚：人工智能发射探测器。2010

林德哈德：离子在keV区域的能量耗散。1961

布拉德利：热虹吸低温和氡相关背景的第一个WIMP结果。2014

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