上海交大公布世界最大暗物质实验首个结果

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       北京时间2016年7月21日晚,上海交通大学鸿文讲席教授、中国锦屏地下实验室 PandaX(熊猫计划)实验负责人季向东博士在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上正式公布了PandaX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。      

       PandaX 暗物质实验是由上海交通大学牵头,国内多个合作单位包括北京大学、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参与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教授在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”,或是发现上帝粒子的欧洲核子中心大强子对撞机,或是类似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,这使探测起来异常困难。        

       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个新型三英吋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。事实上,过去的暗物质探测结果已经排除了多种暗物质理论,而最流行的超对称暗物质理论也已受到越来越强的约束。        

       这种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,这些干扰也会产生光电信号。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(这些对暗物质探测毫无影响),在从2016年3月到6月底近100天的运行中,PandaX探测器记录了约3千万次的事件。这些事件可以高效地通过计算机数据处理的办法,进行甄别,一一排除。最后剩下的可疑事件只有一个,该事件发生在北京时间2016年6月11号3点3分6秒。通过细致分析,这个事件来源于探测材料的放射性,而不是暗物质。能这样很干净地排除本底干扰显示出PandaX探测器在暗物质探测方面巨大的优越性。        

       负责实验数据分析的上海交通大学特聘教授刘江来表示,这次数据分析挑战性最高的地方在于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”。由于国际竞争的紧迫性,在PandaX的分析团队放弃了所有周末休息时间,每天花十四小时以上分析和讨论,在极短时间内完成了数据分析工作。      

       PandaX 所用的500公斤级探测器是PandaX合作组自主研发的,在上海交通大学实验室里建造,可以对一个光子或一个电子进行灵敏探测。这是全世界运行中最大的暗物质探测器,灵敏度也最高。在该首个100天的运行后,PandaX合作组正继续采集数据进行更高灵敏度的探测,将在今后一个时期内领先世界探测水平。        

       PandaX实验所在的四川锦屏山是个人迹罕至的地方。实验室在17公里隧道的中央,在现场参与实验工作的生活条件比较艰苦。PandaX合作组成员从2012年起有多位成员常年在该实验室工作,包括春节和其它节假日。负责二期实验运行的博士生谈安迪在锦屏连续工作三百多天,他表示,“经历诸多挫折与内心的煎熬,最终攻克探测器研发与运行中遇到的各种问题,达到世界领先的灵敏度,心中是满满的幸福。对于一个科研工作者来说,还有什么比像这样站在人类对自然认知的边缘再往外迈出一小步来的令人振奋。”谈安迪在这个国际大会上报告了实验数据详细分析的过程。        

       PandaX实验受到教育部、上海交通大学、中国锦屏地下实验室以及其他合作单位的大力支持。科技部、中国自然科学基金委,以及上海市科委和香港鸿文基金会都对PandaX项目有重要资助。