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“熊猫计划”:寻找暗物质 看中国捕手
来源:     作者:      2016-10-08 11:39       

图为PandaX实验所用装置。
  资料图片

近日,从四川锦屏山2400米山体深处传来我国PandaX(熊猫计划)二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果:在3.3万公斤·天的曝光量下,未发现暗物质粒子踪迹,对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。这一探测的灵敏度处于当前世界最高水平。

在北京时间7月21日于英国举行的两年一度的国际暗物质大会上,上海交通大学鸿文讲席教授、中国锦屏地下实验室PandaX实验负责人季向东博士正式公布了这一结果。

用氙原子作为探测靶子,探测围绕地球成千上万亿的暗物质粒子

PandaX暗物质实验是由上海交通大学牵头,北京大学、山东大学、中科院上海应用物理研究所、中山大学、中国科学技术大学、中国原子能科学研究院和雅砻江流域水电开发有限公司等国内多单位合作的首个大型液氙暗物质地下直接探测实验。美国马里兰大学和密西根大学的科学家也参加了这个实验。实验合作组由从马里兰大学回国的上海交通大学国家千人计划专家季向东在2009年组建和领导。实验室建在由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司开发的锦屏深地实验室之中。

根据最新天文学和宇宙学的研究,暗物质代表了宇宙中约85%的物质含量。但是,由于与普通物质没有直接电磁相互作用,所以暗物质不发光,类似于“幽灵”,无法用通常的办法看到。

科学家们普遍认为,暗物质粒子与普通物质之间极有可能存在一种微弱的相互作用。这个作用能使物理学家通过卫星上的探测器,如中国最近发射的“悟空”,或是借助发现上帝粒子的欧洲核子中心大强子对撞机和类似PandaX的深地暗物质探测器来寻找暗物质。但这个作用太过微弱,暗物质粒子可以轻松穿过地球,探测起来异常困难。

通俗地说,PandaX实验相当于织了一张目前最密的网,试图捕捉暗物质信号。

PandaX实验用氙原子作为探测靶子,采取“守株待兔”的方式,探测弥散在地球周围的成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子上而发生的微弱信号。碰撞会转化为氙原子的反冲能,在探测器中发光、发电。光和电信号都可以通过灵敏的光电管作为“事件”记录下来。

PandaX实验首次采用了110个新型三英寸的光电倍增管来进行记录。最新结果相当于3.3万公斤的氙原子在一天时间内没有和这些暗物质粒子发生过一次碰撞,或者一公斤的氙原子在3.3万天里没有发生过一次碰撞。这对可能的暗物质粒子作出前所未有的实验限制。而这些限制使暗物质粒子的“性质”越来越明确,这对暗物质理论研究提供了非常重要的信息。

最困难的地方是,即便将实验室建在2400米深的山体下,探测器仍可能受到干扰

“在科研上,发现一条路和堵死一条路同样重要。”中国科学院高能物理研究所研究员张新民总结说。

探测实验最困难的地方是探测器中可能存在多种外来干扰。即使把实验室建在2400米深的山体下,用上百吨的高纯材料把探测器层层包围起来,在从2016年3月到6月底近100天的运行中,PandaX探测器仍然记录了约3000万次的事件。通过计算机数据处理进行甄别,一一排除,只剩下一个发生在北京时间2016年6月11日3点3分6秒的“可疑事件”。但细致分析的结果,这个事件来源于探测材料的放射性,而不是暗物质。

负责实验数据分析的上海交通大学特聘教授刘江来表示,利用一个全新的探测器对所有探测到的事件进行“模式识别”,用前所未有的精度来甄别暗物质信号和背景“噪声”,也是一个很大的挑战。

实验所用的500公斤级探测器是PandaX合作组自主研发的,是全世界运行中最大的暗物质探测器,灵敏度也最高。目前合作组还在继续采集数据进行更高灵敏度的探测。

中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所原所长、科技部“十三五”重大项目组组长陈和生表示,PandaX二期实验的最新结果表明,中国深地暗物质探测实验已经处于国际领先水平。

中国科学院院士、中国科技大学教授、高能物理实验学家赵政国说,暗物质实验领域国际竞争激烈,PandaX合作组利用短短100天的数据便得到了国际领先的对暗物质和普通物质作用的上限,难能可贵。它表明,中国的科学家在探索宇宙、探索自然的最尖端领域,在中国本土也可以做出国际领先的成就。