尋找暗物質 看中國捕手

圖為PandaX實驗所用裝置。資料圖片

近日，從四川錦屏山2400米山體深處傳來我國PandaX（熊貓計劃）二期500公斤級液氙暗物質探測器運行的第一個物理結果：在3.3萬公斤·天的曝光量下，未發現暗物質粒子蹤跡，對可能的暗物質候選對象得出了最新的限制。這一探測的靈敏度處於當前世界最高水平。

在北京時間7月21日於英國舉行的兩年一度的國際暗物質大會上，上海交通大學鴻文講席教授、中國錦屏地下實驗室PandaX實驗負責人季向東博士正式公布了這一結果。

用氙原子作為探測靶子，探測圍繞地球成千上萬億的暗物質粒子

PandaX暗物質實驗是由上海交通大學牽頭，北京大學、山東大學、中科院上海應用物理研究所、中山大學、中國科學技術大學、中國原子能科學研究院和雅礱江流域水電開發有限公司等國內多單位合作的首個大型液氙暗物質地下直接探測實驗。美國馬里蘭大學和密西根大學的科學家也參加了這個實驗。實驗合作組由從馬里蘭大學回國的上海交通大學國家千人計劃專家季向東在2009年組建和領導。實驗室建在由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司開發的錦屏深地實驗室之中。

根據最新天文學和宇宙學的研究，暗物質代表了宇宙中約85%的物質含量。但是，由於與普通物質沒有直接電磁相互作用，所以暗物質不發光，類似於「幽靈」，無法用通常的辦法看到。

科學家們普遍認為，暗物質粒子與普通物質之間極有可能存在一種微弱的相互作用。這個作用能使物理學家通過衛星上的探測器，如中國最近發射的「悟空」，或是藉助發現上帝粒子的歐洲核子中心大強子對撞機和類似PandaX的深地暗物質探測器來尋找暗物質。但這個作用太過微弱，暗物質粒子可以輕鬆穿過地球，探測起來異常困難。

通俗地說，PandaX實驗相當於織了一張目前最密的網，試圖捕捉暗物質信號。

PandaX實驗用氙原子作為探測靶子，採取「守株待兔」的方式，探測彌散在地球周圍的成千上萬億的暗物質粒子可能碰撞到氙原子上而發生的微弱信號。碰撞會轉化為氙原子的反衝能，在探測器中發光、發電。光和電信號都可以通過靈敏的光電管作為「事件」記錄下來。

PandaX實驗首次採用了110個新型三英寸的光電倍增管來進行記錄。最新結果相當於3.3萬公斤的氙原子在一天時間內沒有和這些暗物質粒子發生過一次碰撞，或者一公斤的氙原子在3.3萬天里沒有發生過一次碰撞。這對可能的暗物質粒子作出前所未有的實驗限制。而這些限制使暗物質粒子的「性質」越來越明確，這對暗物質理論研究提供了非常重要的信息。

最困難的地方是，即便將實驗室建在2400米深的山體下，探測器仍可能受到干擾

「在科研上，發現一條路和堵死一條路同樣重要。」中國科學院高能物理研究所研究員張新民總結說。

探測實驗最困難的地方是探測器中可能存在多種外來干擾。即使把實驗室建在2400米深的山體下，用上百噸的高純材料把探測器層層包圍起來，在從2016年3月到6月底近100天的運行中，PandaX探測器仍然記錄了約3000萬次的事件。通過計算機數據處理進行甄別，一一排除，只剩下一個發生在北京時間2016年6月11日3點3分6秒的「可疑事件」。但細緻分析的結果，這個事件來源於探測材料的放射性，而不是暗物質。

負責實驗數據分析的上海交通大學特聘教授劉江來表示，利用一個全新的探測器對所有探測到的事件進行「模式識別」，用前所未有的精度來甄別暗物質信號和背景「雜訊」，也是一個很大的挑戰。

實驗所用的500公斤級探測器是PandaX合作組自主研發的，是全世界運行中最大的暗物質探測器，靈敏度也最高。目前合作組還在繼續採集數據進行更高靈敏度的探測。

中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所原所長、科技部「十三五」重大項目組組長陳和生表示，PandaX二期實驗的最新結果表明，中國深地暗物質探測實驗已經處於國際領先水平。

中國科學院院士、中國科技大學教授、高能物理實驗學家趙政國說，暗物質實驗領域國際競爭激烈，PandaX合作組利用短短100天的數據便得到了國際領先的對暗物質和普通物質作用的上限，難能可貴。它表明，中國的科學家在探索宇宙、探索自然的最尖端領域，在中國本土也可以做出國際領先的成就。

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