---
url: /astro-front/lesson-12-China-Jingping-Labs-and-Related-Physics/index.md
---
::: right

—— Haipeng AN

:::

CJPL 在四川西昌. 为什么要在锦屏？因为那里有一条江，人们修建了一个水道穿过锦屏山，在这一段水域中放发电机来发电. 同时还有两条交通隧道. 物理学家们认为这恰好可以作为一个地下实验室的场所.

CJPL 一期有三个实验，上海交大的 PandaX 实验、清华的 CDEX 实验和后面工物系加入的中微子探测实验. 二期工程的体积远远大于前面的一期工程，容纳了很多实验.

CDEX 实验：是一个暗物质探测实验. 用晶体来探测暗物质粒子穿过物质时产生的相互作用信号. PandaX 实验：上海交大的暗物质探测实验，用氙来作为探测物质，记录暗物质和氙碰撞之后产生的光电效应.

> 实际上 CJPL-II 在 2025 年才修建完成，PandaX 在 2020 年就事先搬进了二期工程的工地里，在修建过程中一直在收集数据，直到 2024 年 PandaX 那一块区域开始装修.

二期工程预期的实验：CUPID、深地内源地质时变信息探测中心能 (这是地学实验，测量山体内部压力等等地学参数)、$\cdots$

***

我们谈一些物理.

标准模型给出了三代 quark，传递相互作用的胶子、介子和光子，还有 Higgs boson. 这是我们目前对物质的最本质理解. 但是当我们仰望星空，我们发现我们的知识远远不够.

首先是星系旋转曲线：可见物质的引力推算出的旋转曲线在远端有一个 decay，但是实际测量并没有这样的 decay，这说明有大量不能被观测到的物质在星系周围形成了球形的 halo，这就是 dark matter halo.

另一个暗物质证据是子弹星系团，两个星系团碰撞之后留下的形态明显受到了额外物质的引力影响. 最强的证据是 CMB 图像的关联函数.

宇宙中的物质和能量 = $23%$ 是暗物质 + $73%$ 是暗能量 + $4%$ 是我们可知的物质.

现在我们已经知道了暗物质的物态方程. 同时，根据太阳绕银心旋转的速度，我们可以同理推测暗物质有同样的速度 $200\text{ km/s}$. 因为暗物质是非相对论性的，我们倾向于认为它是「something」而不是「energy」，也就是说它应该可以被并入标准模型里面. 因此，我们的科学目标是找到这种暗物质粒子的质量、自旋、内部结构、粒子反应和自己的反应.

另一个问题是中微子. 除了中微子之外的其他标准粒子的质量来源于左手和右手的两个成分，但是标准模型只允许存在左手中微子，这意味着中微子不应该有质量. 我们在实验上发现中微子存在振荡，这是中微子存在质量的一个证据.

Baryon-anti-baryon asymmetry：重子-反重子不对称性，为什么当前的宇宙正物质的含量远远大于反物质？

***

Dark Matter 的范围：$10^{-22}\text{ eV/c}^2\sim10 M\_\odot$. 更小的质量将超出 QCD 理论极限，更大的质量会生成黑洞而不是简单的粒子.

现在的主流模型是 WIMP (weakly interacting massive particle)，在 $\text{GeV}\sim100\text{ TeV}$ 之间.

现在地下实验室的探测手段是用液态的 Xe 来作为靶，探测可能的暗物质粒子和 Xe 原子碰撞的发光事件. 在实验中还会加定向的电场，让被打出的电子能够沿着电场被吸收到探测器上.

CDEX 实验使用半导体的探测器，灵敏度更高但是只能用于更小质量的暗物质模型.

***

中微子振荡：我们在地球上探测到的电子中微子数量小于理论上的太阳中微子数量. 当时的人们认为可能是太阳中微子模型有问题，也有人认为是中微子的无质量假设错了. 中微子振荡来源于中微子的质量不为零，这样的振荡是在中微子的两个不同量子态之间的振荡.