中國大型暗物質探測實驗發(fā)表重要成果

今天，以中國科學家為主導的大型暗物質探測實驗組PandaX（熊貓計劃）在上海交通大學發(fā)布了實驗組使用120公斤級液氙探測器所獲得的首批數據，實驗結果對以往國際上發(fā)現的疑似輕質量暗物質信號提出質疑。

PandaX是中國開展的首個百公斤級大型暗物質實驗，它的運行結果標志著中國在暗物質探測這個前沿科學領域跨進世界先進行列。

本世紀以來，國際上相繼開展了20多個暗物質探測實驗，利用暗物質和探測器的直接碰撞來尋找暗物質。特別是近幾年來，意大利DAMA/LIBRA實驗，美國CoGeNT和CDMS兩個實驗，以及德國CRESST實驗先后宣稱發(fā)現了疑似輕質量暗物質的信號。這些信號引起了科學界和公眾的強烈興趣。

今天，上海交大物理與天文系教授季向東代表PandaX合作組宣布，經過今年5月開始的一個多月的運行，證實該實驗組設計和研制的120公斤級液氙探測器的靈敏度已經達到世界先進水平，因而能夠對迄今為止所有疑似暗物質探測實驗所獲得的數據信號進行高精度的驗證。但是，PandaX合作組至今的探測尚未發(fā)現任何暗物質的事例，這個測量結果和一些其他實驗所發(fā)現的輕質量暗物質疑似信號不兼容。

PandaX是“粒子和天體物理氙探測器”（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）的英文簡寫。該實驗利用在空氣中提純的惰性元素氙（Xe）作為探測媒介來尋找暗物質。該實驗由上海交通大學牽頭組織領導，包括中國和美國的6家研究機構和大學（山東大學、中科院上海應用物理研究所、北京大學、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司、美國馬里蘭大學和美國密西根大學），共40多位研究人員參與。

物理和天文學家通過大量的天文觀測推斷出宇宙中約27%的成分由一種有質量卻與普通物質沒有電磁和強相互作用的暗物質組成。在銀河系里，暗物質比熟知的普通物質多了20倍以上。地球以及太陽系在這個銀河系中的暗物質“霧霾”里運動。暗物質可以在普通物質比如地球中穿梭來往，幾乎沒有阻攔。然而，在“希格斯”粒子發(fā)現以后已經完備的粒子物理標準模型中卻無法找到暗物質的解釋。暗物質的本性之謎被普遍認為是21世紀物理和天文學中最具有挑戰(zhàn)性的問題之一。

PandaX合作組首期實驗用約120公斤的液態(tài)氙作為靶點子來探測，其主要目標是檢驗其他實驗發(fā)現的輕質量暗物質疑似事例。這個探測規(guī)模僅次于世界上最大的、位于美國南達科他州地下礦井中的一個同類實驗LUX。為了躲避宇宙射線的干擾，PandaX實驗在世界最深的四川錦屏地下實驗室進行。這個實驗場所在2010年由清華大學和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司聯合開發(fā)。該地下實驗室進行的另外一個暗物質探測實驗，是由清華大學牽頭的暗物質探測實驗組CDEX，利用低閾能的鍺探測器進行輕質量暗物質探測。CDEX也在今年發(fā)布了探測結果，對CoGeNT所探測到的疑似信號提出質疑。

季向東表示，這類實驗的主要困難是地球上無處不在的放射性。宇宙線的干擾可以用極深的山洞上方的巖石覆蓋來阻擋。在PandaX實驗里，山洞巖石的放射性由一個100噸的聚乙烯、鉛及高純銅組成的屏蔽體來屏蔽。液氙內部的放射性元素氪被蒸餾的辦法降低到低于百億分之一的濃度。此外，探測器和屏蔽體所用的材料和光電倍增管，都預先經過了放射檢測站的檢測和預選，以確保它們本身的放射性強度不會給實驗探測造成顯著的本底干擾。

PandaX項目采用了先進的“二相型氙”技術，來捕捉暗物質粒子與氙原子核發(fā)生彈性碰撞而產生的微弱信號。當氙原子受到暗物質粒子的碰撞時會得到一定的能量，在液氙中反沖產生光信號和電離電子。電子在強電場作用下向氣態(tài)氙漂移，沖進氣體產生二次發(fā)光信號。這兩個信號都能夠被探測器頂部和底部的“攝像機”——光電倍增管陣列探測到，從而可以用來判別碰撞所發(fā)生的空間位置；而利用這兩個信號的相對大小就可以區(qū)分來自暗物質或其他放射性所產生的事件。

即使通過各種辦法來減少本底，在今年5月開始的暗物質探測數據中，PandaX探測器記錄了大約400萬個事例，在暗物質可能產生的能區(qū)中有大約1萬個事例，而在探測器最“安靜”的中心——37公斤液氙中只有46個事例。通過和放射源的定標比較，這最后的46個事例全部來自于放射性本底，沒有任何暗物質留下的痕跡。PandaX此次結果結合了低閾能和大曝光量兩個優(yōu)勢，對以往實驗中所有發(fā)現的疑似信號提出了強烈的質疑。

據悉，PandaX項目2010年正式在中國開始。2012年7月，合作組在上海交通大學完成了制冷設備、杜瓦系統(tǒng)內外罐、首期探測器的建造和初步調試。同時，實驗需要的屏蔽體也在錦屏地下實驗室搭建完成。實驗設備在2012年8月16日運抵四川錦屏山。從2012年至2014年初，實驗組在錦屏山對整個實驗系統(tǒng)進行了安裝和調試，完成了兩次試運行，成功測試了制冷系統(tǒng)、電子學系統(tǒng)及數據采集系統(tǒng)，并完成了對“二相型氙技術”的驗證，對探測系統(tǒng)進行了定標和測試，得到了能夠檢測以往實驗發(fā)現疑似輕質量暗物質信號所需要的低閾能。

季向東表示，PandaX能在如此短的探測時間內得出具有國際影響力的結果，關鍵在于使用了近十年來發(fā)展最迅速的液氙探測技術。歐洲和美國在這個技術上正在加大投入。目前，世界上運行中最大的該類型探測器是美國的250公斤級LUX探測器。在首次排除了較輕的疑似暗物質信號以后，PandaX將繼續(xù)以更高的靈敏度尋找相互作用更微弱的輕質量暗物質。同時，正在建造一個500公斤級的探測器，尋找理論家所預言的、更有可能是較重質量的一類暗物質粒子。

該研究成果的正式論文已被《Science China Physics, Mechanics & Astronomy》 （《中國科學：物理學力學天文學》英文版）雜志接收發(fā)表，同時發(fā)布在高能物理文獻網上。