暗物质探测
十吨液氙放在约 1.5 公里深的旧金矿里，外面套着闪烁液和水。它等的是一次极轻的碰撞：一个暗物质粒子撞上一个氙原子核。
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没看到，也是结果
宇宙里的物质，约 85 % 不发光，只靠引力显出它在那里：星系外围的星转得太快，远处的光被看不见的质量弯折。这种暗物质是什么，还没有人知道。一种猜想是一种很重、几乎不和普通物质作用的粒子，叫 WIMP；它只是候选之一。
LZ 在等这种粒子撞上一个氙原子核。2024 年公布的结果里，280 天有效数据、4.2 吨年的曝光，没有看到多于本底的事件。对 40 GeV/c² 的 WIMP，如果它和核子的作用截面大于 2.2×10⁻⁴⁸ cm²，就应该被看到了（90 % 置信度）。这是一条上限，不是发现。
2.2 × 10⁻⁴⁸ cm² · 40 GeV/c² · 90 % 置信上限（2024）
一千五百米的岩石
LZ 在美国南达科他州利德镇的桑福德地下研究所（SURF），4 850 英尺（约 1 478 米）深处的戴维斯洞室里。这里原是开采了一百多年的霍姆斯特克金矿，Ray Davis 当年也在这一层用一罐 10 万加仑的四氯乙烯接住太阳中微子，2002 年获得诺贝尔物理学奖。LZ 的前身 LUX 在 2013 到 2016 年用的是同一个水箱。
在地面上，宇宙线产生的 μ 子每分钟大约穿过每平方厘米一次。头顶的岩石相当于 4 300 米厚的水，到这里 μ 子少了约三百万倍：LZ 自己测到，每天约有 11 个 μ 子穿过探测器。岩石挡得住宇宙线，挡不住探测器自身材料的放射性、氙本身和中微子。
4 850 英尺 ≈ 1 478 米 · 4 300 米水当量 · 每天约 11 个 μ 子
两次闪光
LZ 的核心是一个时间投影室：高 1.456 米、宽 1.456 米的圆筒，装着 7 吨液氙，温度约 −99 °C。一个粒子撞上氙原子核（或电子），那里立刻发出一闪紫外光，波长约 178 纳米，叫 S1。上下两组光电倍增管记下它。
同一次碰撞还打出一些电子。筒里有一个竖直的电场（2024 年是每厘米 97 伏），把电子往上推，每微秒约走 1.4 毫米。电子到达液面，被更强的电场拉进液面和阳极之间 8 毫米厚的氙气里，在那里发出第二次、更亮的闪光，叫 S2。两次闪光之间隔的时间，就是电子走过的路。
S1：液体里的闪光 · S2：电子在气体里发的光 · 最长约 1 050 微秒
定出位置
电子漂移的速度是定的，所以 S1 和 S2 之间隔多少微秒，就知道事件在液面下多深。S2 在顶部那组光电倍增管的正下方发出，离它最近的几只管子亮得最多，光落在哪里，就给出事件的水平位置。
2022 年的数据里，S2 足够亮时，水平位置能定到约 4 毫米；在阴极附近，深度能定到约 0.7 毫米。知道了位置，就可以只看中间那一块最安静的液氙。
深度 = 漂移时间 × 约 1.4 毫米每微秒 · 水平约 4 毫米 · 阴极附近深度约 0.7 毫米（2022）
撞的是核还是电子
WIMP 撞的是原子核，中子也是；伽马射线和 β 衰变撞的是电子。同样亮的 S1，电子反冲放出的电子更多，S2 更大；核反冲的 S2 要小得多。S2 和 S1 的比值，就把两类事件分开。
这种分法并不完美：设计时按剔除 99.5 % 的电子反冲、保留一半的核反冲来估算。2024 年那批数据剩下的 1 220 个事件几乎都是电子反冲，在图上连成一条带；核反冲会落在它的下方。
电子反冲：S2/S1 大 · 核反冲：S2/S1 小 · 设计：剔除 99.5 % 的电子反冲
剖开：一层套一层
从外往里：直径 7.6 米的水箱装着 238 吨超纯水；水里立着 10 个丙烯酸罐，装着 17 吨掺了 0.1 % 钆的液体闪烁体，厚约 61 厘米；再往里是两层钛容器，中间抽成真空隔热；最里面是装着液氙的时间投影室。
两层钛容器都用同一块 5 吨重的低放射性钛板做成。装置里一共 10 吨氙：时间投影室里 7 吨，外面还有约 2 吨“皮层”液氙包着它，自己也装着光电倍增管，用来认出从外面进来的伽马射线。
水 238 吨 · 闪烁体 17 吨 · 钛低温容器 · 氙 10 吨（时间投影室里 7 吨）
为什么用氙
氙的原子核很重：原子序数 54，平均质量数约 131。WIMP 和整个原子核一起发生的那种作用，截面随质量数的平方增大，重核占便宜。液氙密度约 2.88 克每立方厘米，外来的伽马射线进去几厘米就会散射：1 MeV 的伽马平均只走 6 厘米。
所以外层的氙替中间挡住了大部分伽马和中子。分析只用中间那一块“基准体积”：2022 年的取法是，离侧壁不到 4 厘米、离门极不到 12.8 厘米、离阴极不到 2.2 厘米的事件都不要，剩下 5.5 吨。氙也不是完全没有放射性：氙-136 和氙-124 衰变得极慢，半衰期是宇宙年龄的一千亿倍以上，它们也算在本底里。
Z = 54 · 2.88 克每立方厘米 · 1 MeV 伽马平均 6 厘米 · 基准体积 5.5 吨
四百九十四只眼睛
时间投影室上下各有一组 3 英寸光电倍增管：顶部 253 只在气体里朝下看，中间排成六角形，边上排成圆圈；底部 241 只泡在液体里朝上看，排得紧密。它们能分辨单个光电子。
管子之间的空隙盖着白色的 PTFE（特氟龙）；场笼的内壁也是 PTFE，在液氙里能反射约 97 % 的紫外光，让更多的光到达管子。皮层里另有 131 只小管，外探测器用 120 只 8 英寸的管子看闪烁体。
253 + 241 只 3 英寸管 · 皮层 131 只 · 外探测器 120 只 8 英寸管
外面那一层
中子撞原子核，看起来和 WIMP 很像。但中子很少只撞一次就停下：它多半会跑出时间投影室，进入外面的闪烁液，被钆俘获，放出总共约 8 MeV、平均 4.7 个伽马射线。闪烁液发光，水里的光电倍增管看见它。
加了钆，热中子平均约 30 微秒就被俘获（不加约 200 微秒）。S1 之后的一段时间里外探测器有信号，这个事件就不算数。2024 年用中子源标定，外探测器抓住了 89 % 的中子。WIMP 撞一次就走，不会在外面留下信号。
钆俘获约 8 MeV · 约 30 微秒 · 抓住 89 % 的中子（2024）
还是会进来的
最难对付的是氡。氡-222 从各种材料里渗出来，混进流动的氙；它的子体铅-214 在液氙中间发生 β 衰变，就是一个电子反冲事件。2024 年那批数据预期的 1 210 个本底事件里，743 个来自它。LZ 会追踪氡衰变的位置，把铅-214 可能出现的地方标出来。
还有挡不住的中微子。太阳的 pp 中微子撞电子；太阳的硼-8 中微子和整个氙核相干散射，看起来像一个约 5–6 GeV/c² 的 WIMP。2025 年，LZ 在 417 天有效数据里以 4.5σ 的显著性看到了它。截面再小下去，中微子越来越难和信号分开，这片区域叫“中微子雾”：灵敏度还能提高，但要多得多的数据。
铅-214：743 / 1 210（2024 年预期）· 硼-8 中微子 4.5σ（2025）
结果说了什么
到 2025 年，LZ 在 3 到 10 000 GeV/c² 的质量范围里都没有看到 WIMP。截面图上，线以上的区域被排除，线以下仍然允许：这是上限，不是测量。上限还取决于对银河系里暗物质的假设，通常取太阳附近每立方厘米 0.3 GeV。
没看到，不等于暗物质不存在：它的证据来自引力，和 LZ 无关。LZ 排除的是某些质量、某种作用强度的 WIMP。2026 年 9 月，LZ 报告了一个解释不了的高能事件，全局显著性 2.6σ，论文还没有经过同行评审；合作组说并没有声称看到了暗物质，物理学里的发现要 5σ。计划到 2028 年攒够 1 000 多天的有效数据；下一代的 XLZD 打算用 60 吨氙。
90 % 置信上限 · 发现要 5σ · 2026 年的那个事件：2.6σ（预印本）
拆开来看
水箱的顶盖、外探测器的丙烯酸罐、外层和内层钛容器、时间投影室和上下两组光电倍增管，一层层从里面升起来。
指针停在哪一件上（手机上轻点一下），那一件便单独托起，标出名字，其余的淡去。
放一个事件
拉杆设定事件在液面下的深度。S1 立刻出现；电子以每微秒约 1.4 毫米往上漂，到了液面才有 S2。读数里的时间，是本页按 2024 年的漂移速度算的：越深，等得越久，最深处约 1 050 微秒。
核反冲和电子反冲的差别在 S2：同样的 S1，电子反冲的 S2 大得多。图中信号的形状是示意。
试一试把事件放到最深处，两次闪光之间隔多少微秒？换成电子反冲，S2 怎么变？
模型省略了什么
模型按 1:8 做。水箱、外探测器侧罐、两层钛容器和时间投影室的大小取自 LZ 合作组发表的数字；顶罐和底罐的形状、容器的封头、法兰和螺栓、管道的走向、梯子和支架是按论文里的图示意的。水没有画出来，只画了一层水面。丙烯酸罐画成了浅绿色的实心块，真实的罐子是透明的，里面的闪烁液也几乎无色。光电倍增管的排列由本页按论文的描述生成（顶部中间六角形、边上成圈，底部密排），不是真实坐标。氙的光是看不见的紫外光，图中画成紫色；事件的时间被大大放慢，读数里给的是真实时间。光电倍增管的亮度来自本页的一个简单光学模型（光走直线、液面全反射，不算 PTFE 的反射），位置图上的十字是亮度的加权平均。伽马的作用点、中子的路径和俘获都是本页画的示意；信号波形的形状和高低也是示意。限制曲线和 2024 年的事件是 LZ 公开的数据，事件图里的蓝线是本页从这些事件算出的中线。
几个常见的误解
“LZ 发现了暗物质”不对：到现在所有结果都和只有本底相符；2026 年那个事件全局只有 2.6σ，发现要 5σ。没看到，也不说明暗物质不存在：证据来自引力。WIMP 也没有被“排除”：被排除的是截面图上线以上的那一片。上限不是对截面的测量。中微子雾不是一块挡死的地板，更多数据仍能慢慢往下推。暗物质约占物质的 85 %，约占宇宙全部能量的四分之一，不是宇宙的 85 %。氙并非没有放射性，只是两种同位素衰变得极慢。地下也不是没有宇宙线：每天仍有约 11 个 μ 子穿过。S2 不是粒子撞到了气体，而是液体里打出的电子漂到气体里发的光。外探测器不探测暗物质，它负责认出中子。10 吨氙里，分析只用中间的 5.5 吨。漂移电场的设计值是每厘米 300 伏，2022 年用 193 伏，2023 年起用 97 伏。
常见问题 · 4
- LZ 探测器在多深的地下？
LZ 在美国南达科他州利德镇的桑福德地下研究所（SURF），4 850 英尺（约 1 478 米）深处的戴维斯洞室里。
02一千五百米的岩石 ↑- LZ 怎样记下一次碰撞？
一个粒子撞上氙原子核（或电子），那里立刻发出一闪紫外光，波长约 178 纳米，叫 S1。
03两次闪光 ↑- LZ 找到暗物质了吗？
到 2025 年，LZ 在 3 到 10 000 GeV/c² 的质量范围里都没有看到 WIMP。
11结果说了什么 ↑- 什么是中微子雾？
截面再小下去，中微子越来越难和信号分开，这片区域叫“中微子雾”：灵敏度还能提高，但要多得多的数据。
10还是会进来的 ↑
资料来源
- LZ 合作组（2020）：The LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment，NIM A 953, 163047（水箱 25 英尺 × 20 英尺；10 个丙烯酸罐；钛低温容器；1.456 米；58 层 PTFE；253 + 241 只 R11410-22；120 只 8 英寸管）
- LZ 合作组（2017）：LUX-ZEPLIN (LZ) Technical Design Report（侧罐 97.5–163.5 厘米；容器尺寸；178 纳米）
- LZ 合作组（2020）：Projected WIMP sensitivity of the LZ dark matter experiment，Phys. Rev. D 101, 052002（设计：剔除 99.5 % 电子反冲；1 000 天 1.4 × 10⁻⁴⁸）
- LZ 合作组（2023）：First Dark Matter Search Results from the LZ Experiment，Phys. Rev. Lett. 131, 041002（60 天；−99 °C；193 伏每厘米；4 毫米、0.7 毫米；基准体积 5.5 吨）
- LZ 合作组（2025）：Dark Matter Search Results from 4.2 Tonne-Years of Exposure of the LZ Experiment，Phys. Rev. Lett. 135, 011802（280 天、4.2 吨年；2.2 × 10⁻⁴⁸、40 GeV/c²；97 伏每厘米；1 220 个事件；本底表）
- LZ 合作组（2026）：Searches for Light Dark Matter and Evidence of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering of Solar Neutrinos，Phys. Rev. Lett. 137, 091806（417 天；硼-8 中微子 4.5σ）
- LZ 合作组（2026，预印本）：Search for dark matter particle interactions in an extended nuclear recoil energy window，arXiv 2609.02823（一个事件；全局 2.6σ）
- LZ 合作组（2023）：Background Determination for the LZ Dark Matter Experiment，Phys. Rev. D 108, 012010（4 300 米水当量；本底主要来自内部）
- LZ 合作组（2026，预印本）：Measurement of the Muon Flux at SURF with the LZ Detector，arXiv 2602.16799（每天 10.94 个 μ 子）
- LZ 合作组（2017）：Identification of Radiopure Titanium for the LZ Dark Matter Experiment，Astropart. Phys. 96, 1（低放射性钛）
- Linehan 等（2022）：Design and production of the high voltage electrode grids and electron extraction region for the LZ TPC，NIM A 1031, 165955（萃取电场）
- LZ 合作组（2024）：The Design, Implementation, and Performance of the LZ Calibration Systems，JINST 19, P08027
- Heise（2026）：Construction and Science of SURF，Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 76, 69（深度；LUX 2013–2016）
- SURF：LUX-ZEPLIN（实验介绍）
- SURF：Our Story（霍姆斯特克金矿，1876–2001）
- SURF（2025）：LZ sets a world’s best in the hunt for galactic dark matter（到 2028 年 1 000 多天；进入中微子雾）
- DOE 科学办公室（2026）：LZ Sees Surprising Result in Search for Dark Matter（未达 5σ；“We are not claiming to have seen dark matter”）
- 诺贝尔奖：The Nobel Prize in Physics 2002（Raymond Davis Jr.）
- Baudis、Profumo（PDG，2025）：Dark Matter（证据；WIMP；约 84 % 的物质；A² 相干增强）
- PDG（2022）：Cosmic Rays（海平面 μ 子约每平方厘米每分钟 1 个）
- Planck 合作组（2020）：Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters，A&A 641, A6（Ω_c h² = 0.1200）
- Baxter 等（2021）：Recommended conventions for reporting results from direct dark matter searches，Eur. Phys. J. C 81, 907（每立方厘米 0.3 GeV）
- O’Hare（2021）：New Definition of the Neutrino Floor for Direct Dark Matter Searches，Phys. Rev. Lett. 127, 251802（中微子雾）
- NeutrinoFog（MIT 许可，© 2019 cajohare）：氙的中微子雾边界数据
- NIST XCOM：Photon Cross Sections Database（氙的伽马衰减系数；本页由它算平均自由程）
- XLZD 合作组（2025）：The XLZD Design Book，Eur. Phys. J. C 85, 1192（60 吨）
- HEPData：LZ 2022 年数据（CC0）
- HEPData：LZ 2024 年数据，限制曲线和 1 221 行事件（CC0）
- HEPData：LZ 2025 年轻暗物质数据（CC0）
数据
The model follows the LZ collaboration’s description of the detector (The LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment, NIM A 953, 163047, 2020, and the Technical Design Report): the water tank, the outer detector’s acrylic vessels, the titanium cryostat, the TPC with its 253 and 241 PMTs. Where no size is published, it is read off their drawings; the notes list what is simplified. The limit curves and the WS2024 events are LZ’s public data on HEPData (records 144760, 155182, 167350; CC0). The neutrino fog’s boundary for xenon is from C. A. J. O’Hare’s NeutrinoFog (MIT License, © 2019 cajohare). The PMT positions, the light on each PMT, the drift times, the gamma hits and the neutron’s path are computed or drawn by this page. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).
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引用这幅图版
拉普拉斯的迷你世界，图版 F48《暗物质探测》，https://world.lapla.si/zh/darkmatter/，CC BY-NC 4.0，2026-10-26 更新。
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