記中國暗物質探測團隊PandaX：世界矚目的「非典型熊貓」

從1933年瑞士天文學家弗里茨·茲威基提出「暗物質」的概念，到20世紀70年代存在開始被認可，暗物質從此成為了探索宇宙中的一個重要課題。根據 PLANCK（歐洲空間局和 NASA 共同發射的「普朗克」衛星）2013 年和2015 年的數據顯示，當前宇宙中普通重子物質只佔宇宙質量的4.9%，而暗物質佔了26.8%，剩下的68.3%為暗能量。

揭開「暗物質」奧秘，極有可能帶來下一次物理學的革命。當前粒子物理學和天文學界普遍認為，暗物質是繼中微子之後諾貝爾物理學獎的熱門。世界各地也陸續建立了多個暗物質探測實驗。

對於中國來說，雖然科學家們在理論研究和數值模擬，以及基於國際合作的實驗研究方面都已取得了一些顯著的成果，但一直缺乏本土的大型探測實驗。且暗物質探測存在著激烈的國際競爭，中國的科學家們想後來居上搶佔先機更是尤其困難。

不過幸運的是，這樣的局面在2016年7月，被一隻非典型性的「熊貓」打破了。

說「非典型」是因為這隻「熊貓」並不會賣萌，也不是愛竹狂人，只是單單醉心於「暗物質」探測無法自拔。它就是由上海交通大學主導開展的「PandaX」大型暗物質探測實驗。接下來我們要說的，則是關於它與一群中國年輕科學工作者們追逐「暗物質」的質樸而熱血故事。

學子歸來，逐夢的機遇

為了促進國家的發展，2008年底中國發起了一場「海外高層次人才引進計劃」簡稱「千人計劃」。主要是圍繞國家發展戰略目標，用5到10年時間，為國家重點項目引進2000名左右人才。在計劃的推動下，一批入選的海外精英遊子懷著一腔熱血踏上了歸國旅程。

彼時任美國馬里蘭大學物理系教授、基礎物理研究中心主任的季向東教授也是其中之一，2009年初為全力發展基礎學科，上海交通大學聘請了他為物理系系主任。同時也陸續從德國、美國、英國引進了一批從事粒子物理和宇宙物理研究的優秀學者組成了科研團隊。

近年，除了諾獎熱門中微子以外，暗物質也一直備受關注。其研究對全人類來講意義深遠，而中國作為大國，也應當在該領域為世界做出相當的科研貢獻。然而直至2009年，國內實際的暗物質探測實驗還仍是空白。不過，這也讓交大物理系的科研團隊看到了機遇。就當前的暗物質探測實驗研究而言，創新的空間比較高，且極有可能成為在中國本土產生世界影響力的實驗。

暗物質作為天文學和宇宙學上假設的物質形態，其中非相對論性粒子-冷暗物質是暗物質的主要成分。典型的冷暗物質有質量為 GeV-TeV 量級的弱作用重粒子（Weakly Interacting Massive Particle, WIMP）和質量為 μeV-keV 量級的軸子（Axion）。WIMP 作為冷暗物質的主要候選者，其粒子物理學的探測手段共三種：自然界 WIMP 的直接探測、間接探測以及加速器實驗產生 WIMP 的探測。

其中一類利用液氙作為探測靶子的直接探測在近年成果明顯，對暗物質也不斷做出了更強的限定。經過嚴謹的考慮後，項目組最終決定通過了利用在空氣中提純的惰性元素氙作為探測媒介來尋找暗物質的實驗方向。並取「粒子和天體物理氙探測器」（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）中的字母，將實驗命名為「PandaX」（熊貓計劃）。

2009年， PandaX 國際合作組由上海交通大學牽頭正式立項，包括山東大學、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有限公司、美國馬里蘭大學和美國密西根大學等的40多位研究人員也參與了其中，季向東教授為總負責人。

部分項目組成員

然而，團隊中雖然有不少知名學者，但多分散各地且各自有獨立的研究。對於一個從零開始的大型試驗項目，實際的支撐和專職科研隊伍仍顯薄弱。為充實科研力量，交大物理系一批年輕的學生們也全身心投入了其中。

「幾乎所有的研究生都是從一年級開始（參與項目），逐漸成長起來。」PandaX 項目中交大特聘教授劉江來教授後來說到，「這對他們是極大的鍛煉，幾年下來在平台建設上有了很大的提高，團隊壯大了，我們第一批學生也已成長為了優秀的青年骨幹。」

而正是這樣一個年輕的團隊，卻悄然拉開了世界液氙暗物質直接探測領域「三足鼎立」*的序幕。(義大利的 XENON100、美國的 LUX 和中國的 PandaX。)

從零開始，「熊貓」的胎動

PandaX 一期目標是建造120 kg 液氙暗物質探測器，而這也是我國首個百公斤級液氙大型暗物質探測項目，實驗幾乎從零基礎開始，探測器以及每一個子系統都需要購買零件後自行研製。面臨著激烈的國際競爭，項目一啟動便已進入了分秒必爭的狀態，而創新技術、建立更高效和科學的實驗方法，則是最有力的競爭手段。

實驗採用了先進的二相型氙技術，並研製開發了當前最大的二相型氙時間漂移室，首次實現了平方米覆蓋、對178納米深紫外光高量子效率的光電探測陣列，光子採集率到達的11.7%的國際領先水平。

探測器示意

探測器中的液氙是由空氣提純製冷液化而來。在探測器工作的過程中為保持液氙的高純度，高效、穩定且可承載大負荷工作量的循環系統是必要的。在科技部 973 暗物質研究項目和包括基金委主任基金和重點項目的大力資助下，國際首個集成真空、製冷、循環提純為一體的「製冷匯流排」（cooling bus）系統也在 PandaX 合作組中誕生，可維持噸級暗物質探測器長期穩定運行，在液氙的環節解決了後顧之憂。

PandaX 製冷系統

低本底也是暗物質研究中另一個需要全面攻克的問題。PandaX 實驗已經決定在被認為國際宇宙射線最低的中國錦屏地下實驗室里進行，環境方面可以說已經獲得最大程度的保證。而實驗設備本身的放射性也需進行最高程度的限制。

在夜以繼日的努力下，合作組的成員成功研發了放射性極低的特種不鏽鋼作為探測器容器，同時通過對其他探測器材料的篩選和對氪85放射性本底的高效提純，實現國際暗物質探測器中的最低本底水平（2.0×10-3/天/公斤/keV）。

另外在物理分析上，首次細緻研究了偶然符合本底，並將「決策推進樹」的分析技術運用到液氙暗物質實驗中，進一步降低了實驗本底。

PandaX 一期探測器及部分子系統

籌備工作能夠迅速紮實的推進，離不開 PandaX 合作組秉承的開放精神，十分注重對年輕一代科研人的培養。

當時還是交大物理系博士的肖夢蛟，從 PandaX 項目一開始就投身其中，從每一根 PMT 的測試安裝到試驗現場的整體把控，都印刻了他的身影。後來他也作為 PandaX 一期的現場負責人，全程活躍在實驗工作中。而任用學生擔任現場負責人，這在任何一個國際合作組、國內大型項目中都前所未有。可見， PandaX 給予了優秀年輕人們充足的機會和充分的信任，這無疑是對他們最大的鼓勵。學生們也淋漓盡致地發揮出了非同一般的拼搏精神，成為了項目中不可或缺的力量。

經過3年左右的日夜奮戰，2012年7月合作組在上海交通大學完成了製冷設備、杜瓦系統內外罐、首期120公斤級探測器的建造和初步調試。不過，項目組並沒有顧上舒一口氣，而是緊張地投入了下一階段的工作。他們的下一個征程將在一個位於地下2400米的地方開啟——中國錦屏地下實驗室。在那裡，PandaX 將正式地睜開了探尋暗物質的「眼睛」。

地下2400米，執著的堅守

暗物質的探測需要盡最大可能排除多種外來的信號干擾，因此探測器需要在一個「潔凈」的超低本底環境下開展工作。

2009-2010年，雅礱江流域水電開發有限公司和清華大學在四川錦屏山共同建設了中國首個極深地下實驗室「中國錦屏地下實驗室」（CJPL）。2400米的垂直低放射性岩石覆蓋，形成了天然的屏蔽層，是目前世界上最深、宇宙線本底最低的地下實驗室，獲得了國際注目。除了Nature雜誌以《Dark-matter hunt gets deep》為題進行了專題報道以外，2015年諾貝爾物理學獎得主阿瑟·麥克唐納也曾對實驗室有過高度的評價。在這裡運行著兩個我國暗物質大型直接探測實驗，一個是清華大學主導的 CDEX（高純鍺），另一個就是 PandaX。

巍峨的錦屏山

清華大學主導的 CDEX 使用的是高純鍺探測器，2016年11月發表了獲得10 GeV 以下能區點電極高純鍺探測器暗物質實驗的最靈敏實驗結果，受到世界關注。

雖然是實驗的極佳場所，但對於人來講環境卻十分惡劣。實驗室處在一條17公里隧道的中央，隧道在貫穿半年後洞壁還在一直冒水，必須穿著雨靴淌著一尺多深的水才能進入，情況可想而知。「我們就是要在這樣極端的環境下，爭取把暗物質探測實驗的精度做到極致。」項目負責人季向東教授曾這樣說道。

錦屏地下實驗室隧道

錦屏地下實驗室 PandaX 項目組

完成初步調試的次月，即2012年8月，PandaX 實驗設備運抵四川錦屏實驗室，在此之前，探測器屏蔽體也完成了搭建。自此到2014年初，實驗組對整個實驗系統進行了安裝和調試，以及兩次試運行，成功測試了製冷系統、電子學系統及數據採集系統，並完成了對「二相型氙技術」的驗證，對探測系統進行了定標和測試，得到了能夠檢測以往實驗發現到疑似輕質量暗物質信號所需要的低閾能。

PandaX 一期主探測器（裝配中）

如此艱苦的環境下，在短短的一年半時間裡，實驗現場的成員們扛下了巨大心理和工作壓力，出色地完成了該階段的任務。

自進入錦屏後，在現場的成員們常期埋頭於實驗，沒有任何假日而言，作為現場負責人的肖夢蛟更是如此。2013年中連續11個月無休讓他失去了和家人團聚的機會，且每天都幾乎工作到凌晨2點。不足5小時的睡眠、洞內的惡劣環境、高強度的實驗工作……如此種種都不斷透支著他的身體。但肖依然事無巨細，踏實勤懇地完善著實驗的各項工作。和現場的其他成員們一起，將 PandaX 進入錦屏後最為關鍵的時期平穩度過。這也為後來項目的一系列成果，打下了堅實的基礎。

PandaX 一期現場負責人肖夢蛟與正在安裝的暗物質探測器

在一切就緒後，PandaX 一期探測器於2014年初開始正式運行，並於8月24日發布了首批120公斤液氙探測器經17天採集的數據，引來了國際暗物質探測同行們關注的目光。

雖然並沒有捕捉到 WIMPs 的信號，但 PandaX 探測器顯示出的靈敏性甚至優於了業內的「老前輩」XENON100。Science雜誌也很快發布了《探索暗物質，中國團隊迎頭趕上》的報道，將 PandaX，將中國液氙暗物質探測推到了國際暗物質舞台的聚光燈下。

PandaX 一期成果對比

這個成果對合作組的成員來講無疑是巨大的鼓勵，不過他們並沒有就此止步，二期實驗 PandaX-II 的準備也在同期緊鑼密鼓地開展起來。

成果趕超，世界的矚目

探測器就如一張網，細密程度越高，捕捉到暗物質的可能性就越大。為了達到更高的「密度」，合作組決定在 PandaX-II 中擴大探測器的規模——建造當前全球最大的500 kg 級液氙探測器。

PandaX-II 探測器

繼續拿「網」來形容的話，合作組成員曾介紹，PandaX-II 的「網格」只有10-46cm2那麼大，相比一期實驗小了10倍，比當期上年的美國 LUX 實驗小2倍。另外，探測器在容器材料、電極、光電倍增管等方面也有了進一步的改進。

探測器裝配

探測器中的光電探測部分，由新型的3英寸低溫低本底型光電倍增管（R11410，濱松公司研製）組成

這隻「大網」在經過了近2年的精心編製後，於2016年3月正式「下網」，歷時100天 「捕撈」，在6月底收網之時，一共獲得了3千萬次光信號事件。

PandaX-II 探測器

檢修討論（PandaX-II實驗員：右—劉江來，左—肖翔，中—李紹莉）

然而這些事件究竟是小蝦米的水花還是真正大鯰魚的痕迹，團隊還必須對它們進行一一的甄別。而這次數據分析挑戰性最高的地方在於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」。

時間緊迫，想要在激烈的競爭中佔得先機，必須儘快且精確地完成所有的分析工作。於是，實驗組成員們再次放棄了所有周末和假期，每天花14小時以上的時間對數據進行分析和討論，在不到一個月的時間，就完成了所有的信號甄別，並成功排查了唯一一個可疑事件，確定了信號來源於探測材料的放射性而不是暗物質。高靈敏的探測器就這樣，很乾凈地排除了本底干擾。

在2016年7月21日晚上，PandaX 負責人季向東博士於英國舉行的兩年一度的國際暗物質大會上正式公布了 PandaX 二期運行的第一個物理結果：

在3.3萬公斤氙原子/天的曝光量下，未發現暗物質粒子，對可能的暗物質粒子做出了最新的限制。

2016年7月發布的PandaX-II實驗結果

這一結果進一步推進了暗物質「性質」的明晰，為其理論研究提供了非常重要的信息。而暗物質探測的「前輩」也是領域中在以往較為領先的美國 LUX，亦在當天發布了探測器運行332天的實驗數據，與 PandaX-II 在第一個階段的結果相當。這樣再次體現了「新人」 PandaX 後來居上的氣勢和實力。

會中聚集的國際暗物質研究「大牛」們對這一結果反應極其熱烈，讓 PandaX 一時間成為了全場的「明星」。美國能源部主持暗物質項目的官員 Salamon 博士更是以「震驚」（stunning）來形容了自己的感受。9月19日，實驗結果也作為封面論及主編推薦（Editor』s Suggestion），正式發表在了《物理學評論快報》中。（大約只有六分之一的發表論文會成為該高級學刊的主編推薦）。

PandaX 能在這一刻為中國液氙暗物質探測工作畫上濃墨重彩的一筆，離不開近7年以來一期、二期所有團隊成員不分日夜的奮鬥。而不論從項目成立的時間來講還是組成人員來講，PandaX 都是一個年輕的團隊。數據發布的第二天，上海交大召開了 PandaX-II 成果新聞發布會，這一天恰好是項目發言人劉江來教授的40歲生日，他在現場和大家一起度過了這富有意義的日子並欣慰和激動地一一讀出了 PandaX 中每一個優秀「孩子」的名字，在他們之中，最小的成員也只有23歲。

PandaX 項目總負責人季向東教授曾在受訪中說：「粒子物理探求的是物質最深層次的奧秘，對未來的生活會發生怎樣的影響，我們現在還不得而知。就像電被發明時，人們尚無法想像後來的電視、電腦。但無論如何，每一個科學發現都使人們對物質世界的認識更進一步，這是最了不起的事。」目前的成就對於 PandaX 團隊來說也只是一個美好的開始，未來，這隻非典型性「熊貓」將製造更大的 「捕捉網」，在錦屏繼續守候暗物質的到來，為開拓人類對宇宙的認知，開啟人類未來的可能性，做出一份貢獻。

Reference：

張新民,陳學雷.暗物質、暗能量研究進展及中國的機遇.中國科學院院刊.2011.05

直接探測暗物質,馬欣華,現代物理知識,23卷第6期,總138期

揭開大型暗物質實驗PandaX的神秘面紗,中國科學,2014.7

上海交大季向東教授：要讓國際前沿科學在中國成為可能.上海交通大學新聞網,2014.10.

http://news.sjtu.edu.cn/info/1006/352652.htm

中國暗物質研究前景巨大 「一旦突破 可摘諾獎」,新浪財經網,2016.6.

http://finance.sina.com.cn/roll/2016-06-27/doc-ifxtmses1015544.shtml

中國暗物質研究,中青學習在線.

http://www.cylol.com/html/science/zhkf/2011/0726/294.html

中國暗物質探測的靈敏度達到世界最高水平,鳳凰資訊,2016.7

寫在最後

濱松已持續為世界多個液氙暗物質實驗提供了光電探測技術，此次濱松中國作為連接濱松光電技術與 PandaX 項目的橋樑，也深感責任和榮耀。在這場未完的探索中，我們也將不懈努力，希冀為我國暗物質探測科研事業做出更多的貢獻。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！