國際上有十幾個直接探測WIMP 的實驗，目前有的已經停止，有的正在進行，也有的還在準備階段。圖3.1.10 中標出地下實驗室以及直接探測暗物質實驗在地球上的分佈。表3.1.2 列出了具有代表性的直接探測實驗（包括探測手段核探測器介質材料）。
當然不可能將所有實驗活動介紹給大家，現就幾個典型的有代表性的實驗做較為詳細介紹，這對了解活躍在各地暗物質直接偵測活動十分必要，也很有意義。
圖3.1.10 地下實驗室和直接探測暗物質實驗在地球上的分佈
1. 收集光的探測實驗
DAMA、KIMs 等實驗是單一探測可見光的實驗，採用了核物理中常見的無機閃爍晶體探測器。DAMA 主要通過“年調製效應”的測量獲得暗物質粒子WIMP 信息，KIMs 主要測量反衝核的能譜，也測量了“年調製效應”。
DAMA 採用低本底摻鉈碘化鈉NaI(Tl) 晶體探測技術，是在意大利格蘭薩索地下實驗室進行的實驗。KIMs 採用低本底摻鉈碘化銫CsI(Tl)晶體探測技術，是在韓國襄陽地下實驗室進行的實驗。 雖然晶體不一樣，但其測量原理基本一樣。
當WIMP 進入閃爍晶體內併發生與晶體原子核的碰撞，原子核被反衝離開原來的位置變成具有一定能量的帶電的“裸核”（或稱“反衝核”）。帶電的反衝核在碘化鈉晶體內的移動將一部分能量轉給晶體內的原子並將原子激發，被激發的原子很快地退激發( 微秒量級)，退激發時放出可見光範圍的熒光，熒光的強度正比於反衝核的能量。圖3.1.11（a）所示為暗物質粒子WIMP 在閃爍晶體內產生熒光的示意圖。只要探測到熒光的強度，不僅知道WIMP 與原子核發生了碰撞，而且可以知道反衝核的能量，從而實現對暗物質粒子WIMP 的直接探尋。
圖3.1.11 閃爍晶體探測器
（a） WIMP 粒子在閃爍晶體上產生熒光示意圖；（b） 閃爍晶體兩端安裝有光電倍增管
閃爍晶體探測器的結構很簡單，主要部件是閃爍晶體和光電倍增管。閃爍晶體的外面包有反射光的材料和避光材料，晶體一端或兩端安裝有光電倍增管，如圖3.1.11（b）所示。避光材料防止晶體外面光的影響，反射材料保證了熒光只能傳輸到光電倍增管上。光電倍增管將熒光轉換為電脈衝信號，並具有放大功能。通過測量電脈衝信號的幅度獲得WIMP 碰撞的信息和反衝核的能譜。
當然，除WIMP 外，X 射線或電子進入閃爍體也會產生熒光，也會使光電倍增管產生電脈衝信號。但與WIMP 粒子不同，X 射線或電子是將原子外圍的軌道電子反衝出來，熒光由反衝電子產生，與反衝核形成的脈衝形狀有所不同。人們依據脈衝形狀的不同從本底中挑選WIMP 事例，實現對本底的扣除。這種方法通常為“脈衝甄別法”（pulse shapediscrimination, PSD）。脈衝甄別的能力與晶體的性質有關，NaI(Tl) 晶體和CsI(Tl) 晶體都有這種能力，這也是採用這兩種晶體的原因之一。
圖3.1.12 為一個典型的光電倍增管的照片，可以看到，光電倍增管由玻璃管殼和殼內的電極構成。如果玻璃管殼和殼內的電極有放射性元素的話，會造成很大的本底。 為此，一定要選擇低放射性的光電倍增管，例如石英管殼的光電倍增管。另外，光電倍增管和晶體之間插入一根低輻射本底的透明石英棒作光導，一方面能阻止光電倍增管的射線進入晶體，另一方面也有助於熒光的傳導。
圖3.1.12 光電倍增管照片
當然，碘化鈉NaI(Tl) 晶體和碘化銫CsI(Tl) 晶體自身的放射性本底也是主要本底來源之一，必須想盡一切辦法去除。例如，CsI(Tl) 晶體中的銫-137（Cs-137）會輻射出662keV 的γ 射線，也是放射性本底的主要來源。KIMs 研究組對此做了大量的研究。研究發現，晶體中的Cs-137 是在生產碘化銫材料過程中使用了普通自來水，水中含有Cs-137 所致。生產過程中改用純淨水後，Cs-137 的含量就大大減少了。
DAMA 實驗在意大利的格蘭薩索地下實驗室進行。每塊晶體的質量為9.7kg，晶體的兩端通過10cm 石英光導將熒光收集在低本底光電倍增管上。為減少氡的影響，探測器由純銅密閉起來並吹入高純氮氣。外部是由鉛、聚乙烯、無氧銅及能吸收中子的鎘薄膜構成的屏蔽體，最外面周圍是1m 厚的中子慢化體。
DAMA 實驗組於1997—1998 年間開始發表有關年調製效應的物理結果。2003 年給出了最終結果。新一代升級後可開展DAMA/LIBRA 實驗。有25 塊晶體構成5×5 陣列。實驗進行了6~7 年的時間，主要觀察WIMP 的年調製效應。圖3.1.13 為DAMA 探測器外形的照片。
圖3.1.13 屏蔽體內DAMA 實驗的晶體探測器陣列
2. 收集電子的探測實驗
CoGeNT 和CDEX 都是單一收集電荷的實驗，是通過能譜測量獲得WIMP 信息的實驗。它們都採用了高純鍺半導體探測器。
高純鍺半導體探測器是核物理實驗中測量核輻射的常用探測器。高純鍺（HPGe）是一種純度達到10 ～ 13 個9 的半導體探測器（即雜質濃度只有百億分之一左右）。它同時具有密度大、自身放射性本底低、能量分辨率好等優點。不過，探測器的工作溫度為-200℃ (70~80K) 左右，需要將探測器置於低溫容器內。
WIMP 射入高純鍺半導體中，鍺原子核被反衝後成為帶電的“反衝核”，獲得動能的“反衝核”又將周圍的原子電離產生很多自由的電荷（包括電子和空穴）。電離產生的電荷多少正比於反衝核動能的大小。這些電荷在電場作用下漂移到電極的過程中形成電脈衝信號，並通過低噪聲放大器放大後被記錄下來。電脈衝信號幅度大小正比於反衝核動能，再由反衝核能譜獲得暗物質粒子的信息。圖3.1.14（a）所示為探測器內部高純鍺半導體和信號輸出電子學的示意圖。
圖3.1.14 鍺半導體探測器
（ a）高純鍺半導體探測器結構圖，銅套內的鍺晶體兩端的電極與放大器連接，將信號放大並輸出；（ b）點電極 HPGe 晶體照片
雖然反衝核從WIMP 那裡得到的能量很少，電離出的自由的電子和空穴也不多，但是，高純鍺半導體自身的暗電流或噪聲也不大，因此可以探測到反衝核事例並測量出其能量。不過，能量太低的信號被淹沒在暗電流或噪聲中也是不行的。這個能被探測到的最小能量被稱為探測器的能量閾（簡稱探測閾）。和其他類型的探測器相比，高純鍺半導體探測器的能量探測閾很低，這預示著對探測質量小的WIMP 有較高的靈敏度。
此外，探測器電極的尺寸會影響探測器的電子學噪聲。電極越小則噪聲越小。為此，近年來發展出電極很小的探測器，稱為點電極HPGe探測器。這種探測器電極的直徑只有1~2mm，噪聲很低，能量閾可以到200eV 甚至更低，為閾值很低的一類探測器。反衝核的能量越低事例率就越高，也就是說，探測器的能量閾越低，探測效率就越高，對低質量WIMP 的探測靈敏度也越好。圖3.1.14（b）所示為點電極HPGe 晶體的照片。
高純鍺半導體探測器HPGe 也有一定的甄別γ 射線本底的能力。γ 入射有可能在半導體內發生兩次或多次電子反衝，WIMP 在半導體內僅有一次核反衝。反衝次數不同所形成的輸出脈衝形狀不一樣，所以HPGe 還有不錯的本底甄別能力。2009 年TEXONO 利用20g 的HPGe 實現了低質量下的最好靈敏度探測，2010 年CoGeNT 利用475g 的HPGe獲得在低質量區很高靈敏度的探測。
我國的CDEX 實驗和美國的CoGeNT 實驗都採用了點電極HPGe 探測器，前者在我國四川錦屏地下實驗室，後者在美國明尼蘇達州的蘇丹地下實驗室。 由於探測閾比較低，兩個實驗的重點都是探尋質量在10GeV/C 範圍的WIMP。如果積累多年的數據，也可以通過分析年調製效應來尋求直接探測WIMP 的證據。圖3.1.15 為CoGeNT 實驗組的點電極HPGe 探測器照片（照片中有鉛屏蔽磚和探測器）。
圖3.1.15 CoGeNT 實驗組的點電極HPGe 探測器照片
3. 同時收集電子與聲子的探測
CDMS/SCDMS 是同時測量電荷和聲子的實驗，採用“單一事件辨別法”尋找WIMP。整個實驗裝置放在熱力學溫標幾十毫度（mK） 的環境中，屬於超低溫高純鍺探測器實驗，具有很好的本底事例和WIMP 事例的鑑別能力。
實驗探測中使用了兩種探測器，一種是測量電離電子的半導體探測器，另一種是用來測量溫度的超導傳感器。聲子收集器和探測器的工作溫度都很低，為約幾十毫度的熱力學溫度（約20mK），幾乎接近熱力學溫標的零度（0K）。
圖3.1.16 給出這兩種複合型探測器的工作原理示意圖。鋁 (Al) 聲子收集器緊貼在鍺Ge( 或硅Si) 探測器表面，而鎢（W）超導傳感器又緊靠在Al( 鋁) 聲子收集器邊上。當WIMP 進入Ge( 或Si)半導體中，反衝的Ge(或Si)原子核將周圍原子電離產生電荷（ 見圖3.1.16（b）），電荷的收集將產生電信號並放大。另外，反衝的Ge( 或Si) 原子核還會使周圍晶體發生振動，產生“聲子”。“聲子”通過“類似粒子散射或擴散”從Ge( 或Si) 半導體進入Al 聲子收集器，進而到達鎢（W）超導傳感器（見圖3.1.16（a））。由於探測器工作在熱力學溫標約幾十毫度的極低臨界溫度下，雖然聲子數量不多，也會使W 傳感器溫度升高幾十毫度。當W 的溫度超過臨界溫度（約80mK），超導特性使其電阻值發生突變。電阻的突然變化可以通過電子學轉化為電脈衝記錄下來。
圖3.1.16 同時測量電荷和聲子的組合探測器
（a） 組合型探測器基本工作原理示意圖；（b）探測器電離部分的工作原理示意圖
複合探測器一方面通過超導傳感器得到“聲子”方面的信息，推導出反衝核或反衝電子的總能量；另一方面由Ge（或Si）半導體探測器獲得電離能量的大小。也就是說，可以同時得到反衝事例的總能量和電離能。在總能量一樣的事例中比較電離能就可以將核反衝與本底區分開來，即由電離能和反衝總能量的比例來甄別γ 或e 本底。
γ 或e反衝的是電子，電子的電離信號相對較大；而WIMP 反衝的是原子核，反衝原子核的電離信號相對較小。在反衝能量相等的情況下，兩者的電離能和總能量之比有很大的差別，本底信號的電離大於反衝核的電離。圖3.1.17 表示本底事例和WIMP 事例的不同響應，圖中橫座標為反衝事例總能量，縱座標為電離能。可以利用這個差別來甄別γ 或e 本底。很顯然，總能量一樣時，電離能大的是γ 或e 本底，電離能小的是WIMP 事例。這也是這種實驗探尋方法的優勢。在鑑別本底的基礎上，將WIMP 事例從本底中一個一個地挑選出來，再通過反衝核的總能量推算出WIMP 的有關質量或能量方面的信息。
圖3.1.17 本底（電子反衝）和信號事件的分辨
實際上，CDMS 每個探測器單元都很小，特別是Al 聲子收集器和W 傳感都是利用微電子技術蒸鍍在Ge( 或Si) 表面。陣列式結構中每個單元為250μm×60μm 左右，Ge( 或Si) 的厚度為幾釐米。為提高探測效率，必須增加探測器質量, 只好將很多Ge（或Si）探測器單元疊在一起形成陣列，放在熱力學溫標幾十毫度的溫度環境中。分別讀出電脈衝信號和聲子傳感器信號。
雖然這種探測器有很好的本底甄別能力，但探測閾較高，當信號幅度太小時由於電子學噪聲的影響而無法辨別本底還是信號。另外，製作技術複雜，不容易建造大規模大質量的探測器系統。
圖3.1.18 為CDMS 探測器內部照片和組裝好的探測器照片。CDMS-I 探測器有1 個100g 硅探測單元和6 個165g 鍺單元探測器（100gSi+6×165g Ge）， 而CDMS-Ⅱ探測器由3 個100g 硅探測單元和3 個250g 鍺單元構成(3×100g Si+3×250g Ge)。半導體探測器採用了Si（原子量28）和Ge（原子量73）兩種不同材料，其目的是通過比較兩種探測器的信號來進一步減少本底（WIMP 與這二種不同材料碰撞的概率不等），其中Si 可以視為是專門測量本底的參考探測器。
圖3.1.18 CDMS 探測器
（a）探測器內部照片；（b）組裝好的探測器
SCDMS 與CDMS 一樣，可以同時測量電離與聲子。不過，SCDMS探測器採用薄膜超導技術，每個鍺探測器為600g，直徑76mm, 厚25mm。SCDMS 探測器可同時得到8 路聲子信息和4 路電離信息。從而進一步提高對低能量反衝核的探測靈敏度。
4. 同時收集光子和聲子的探測
CRESST 是典型的同時收集光子和聲子的探測器。CRESST 探測器採用鎢酸鈣（CaWO4）閃爍晶體作為靶材，由閃爍光探測器和聲子探測器組成，其工作原理如圖3.1.19 (a) 所示。閃爍光探測器由CaWO4 閃爍晶體、光吸收體和量熱器組成。聲子探測器由同一個CaWO4 晶體和另一側的量熱器組成。
當暗物質粒子WIMP 入射CaWO4 閃爍晶體中，晶體中的原子核被反衝並離開晶格。帶電反衝核的小部分能量在CaWO4 晶體中產生閃爍光，當閃爍光傳輸到達光吸收體並被吸收的話，吸收體的溫度會上升；另外一大部分的能量使晶體內的晶格發生振動，晶體的溫度也同樣會有升高。可惜的是，反衝核的能量很小，無論吸收體還是晶體，其溫度的升高都極小，只有攝氏百分之幾度（或稱熱力學溫標的幾十毫度）。如何測量到如此小的溫度變化呢？為此：整個晶體探測器必須在極低的溫度環境中（一般低於100mK 左右），同時使用極其靈敏的溫度傳感器，一般採用TES。
圖3.1.19 (a) 中的量熱器就是熱敏超導邊界傳感器（Transition edge sensor, TES），圖3.1.19 (b) 所示為TES 的工作原理圖。在一定的低溫溫度下，TES 處於超導和常態之間的過渡狀態，溫度升高ΔT 導致傳感器的電阻急劇變化ΔR ，測量ΔR 就得到了ΔT 。由探測器的上下兩個TES 可分別獲得晶體和吸收體的溫度變化ΔT ，也就不難得到產生閃爍光的能量大小和使晶體振動的能量多少，進而推導出反衝核的能量。
相同能量的反衝核和本底粒子（電子或伽馬）在CaWO4 晶體中產生閃爍光的光量（或稱光產額）有較大差別，可以利用閃爍光產額與能量的關係來甄別掉本底粒子，挑選出WIMP。這就是CRESST 同時測量振動和閃爍光的緣由。圖3.1.20 所示為閃爍光產額與能量的分佈圖，圖中藍色實線帶為γ/e 的本底事例，黑色虛線帶為O（氧）反衝核事例區域，紅色實線帶為W（鎢）反衝核區間，黃色區域表示實驗工作靈敏區。
圖3.1.19 CRESST 探測器
（a） CRESST 探測器工作原理；（b） TES 工作原理圖
圖3.1.20 各種粒子閃爍光產額與能量的分佈圖
實際的探測器是很複雜的，由很多探測器單元陣列組合而成，照片見圖3.1.21。CRESST 實驗組於2015 年8 月結束了在LNGS 實驗室的實驗，積累了52kg·d ( 千克天)的數據量，得到了核反衝能量約為307eV 的極低能量閾值，獲得了在<1.6GeV/c2 的WIMP 質量區域最靈敏的結果，並且將WIMP 的質量靈敏區域推到了1GeV/c2 以下。
圖3.1.21 CRESST 陣列探測器照片
5. 同時收集光子和電子的探測
XENON、LUX 是同時測量電荷和閃爍熒光的一類實驗，採用“單一事件辨別法”尋找WIMP，所用的探測器為時間投影室（time projectchamber，TPC）。TPC 內的工作介質為液態的氙（Xe）。液態的氙（Xe）和液態的氬（Ar）一樣，都是很好的液體閃爍體。當帶電粒子在液氬或液氙中有電離損失時，一部分能量會轉換為熒光，另外一部分能量將其電離而產生電荷，從而可以通過對熒光和電荷的收集來探知WIMP。
圖3.1.22 所示為液氙為例的探測器結構和工作原理示意圖，由於液氙的上表面是氙的飽和蒸氣，故又稱為液氣兩相的TPC。工作介質為氣體的TPC 是粒子物理實驗中常用的徑跡探測器，可以測量帶電粒子在投影室氣體中的三維徑跡，具有很好的位置和徑跡分辨能力。如果投影室內是液體，由於帶電粒子的徑跡很短，無法獲得徑跡，但仍可以通過電離電子的漂移時間知道電離發生的位置, 實現三維位置測量。XENON、LUX 採用液氙TPC 來探測WIMP。
圖3.1.22 氣液兩相液氙探測器結構和工作原理圖
探測器結構如圖3.1.22 所示，液氙在密閉的低溫容器內。 容器內下部是透明的液體氙，上部是飽和氙蒸氣（氣態氙）。容器外面的電場線圈在容器內形成一個均勻電場，電場方向從上向下。液體氙部分的電場不太強，氣態氙部分的電場很強。容器內的頂部和底部都安裝有光電倍增管（photo multiplier tube, PMT）陣列，用來接收熒光並將光轉換為電信號。
當WIMP 進入探測器內和液氙的核發生碰撞後，氙（Xe）的原子核被反衝。而後反衝核將周圍液體電離，在產生很多電離電子和離子的同時還激發出閃爍熒光。一方面閃爍熒光穿過透明的液體氬被PMT 接收後得到信號S 1 ；另一方面，電離出來的次級電子在電場作用下向上面的氣態氙方向漂移，經過一段漂移時間到達氣態氙中。由於氣態氙的區域有很強的電場，使電子再次發生多次電離產生更多的次級電子和更強的熒光，這些熒光被PMT 接收形成信號S 2。顯然，信號S 2 要比S 1 晚一些，其時間間隔就是電子從液體氙到氣態氙的漂移時間。當然，S 1 和S 2 信號幅度的大小與電離產生的次級電子的多少有關。
如果本底γ 射線進入探測器內和液氙原子外層電子作用，電子被反衝出來。反衝的電子和反衝核一樣，也會產生S 1 和S 2 兩個信號。但由於反衝電子和反衝核不同的物理機制，S 1 和S 2 信號幅度之比有很大不同，反衝電子S 1 和S 2 幅度比要遠小於反衝核的（見圖3.1.22）。這就為甄別本底提供了一個很好的依據：通過S 1 和S 2 幅度比將本底信號剔除，將WIMP 信號辨別出來。這是該實驗方案的特點，也是該實驗方案的優勢。
這類探測器介質的質量可以達到幾百千克甚至幾噸，但所使用的液氙或液氬必須不斷進行純化，過濾掉可能造成放射性的元素以及影響熒光產生和傳播的雜質。所採用的光電接收器件也必須具有極低的放射性本底和對熒光的高接收轉換效率。液體氙和液體氬的溫度分別為110°K 和87°K，為此必須建立低溫製冷系統，以保證探測器的低溫工作環境。
XENON 實驗組由2006 年的15kg 液氙TPC 發展到XENON100 的165kg 液氙TPC 探測器，得到的實驗數據可以說是暗物質直接探測實驗中靈敏度最好的實驗結果之一。實驗在意大利格蘭薩索地下實驗室進行。圖3.1.23 為XENON10 液氙探測器和所使用的光電倍增管陣列的照片。
圖3.1.23 液氙探測器和所使用的光電倍增管陣列
（ a）XENON10 液氙探測器照片；（b）所使用的光電倍增管陣列
除上面介紹的4 種直接探測實驗外，還有許多其他直接探測技術，如電荷耦合器件CCD、氣體TPC 、氣泡室、乳膠等實驗，不再一一介紹了。
（摘自《尋找缺失的宇宙——暗物質》，作者：李金）
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