清華主導的CDEX暗物質實驗合作組取得世界領先成果

最新 06-14

本文原標題：《刷新暗物質探測靈敏度！清華主導的CDEX暗物質實驗合作組取得世界領先成果》

清華大學主導的中國暗物質實驗（China Dark matter EXperiment, CDEX）合作組利用一種國際首創的高純鍺探測系統，在一定範圍內將暗物質直接探測靈敏度提高到目前國際最高水平。相關研究成果於北京時間6月13日在線發表在國際物理學頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters），題為《基於CDEX-10實驗首批102.8公斤·天數據的輕質量暗物質限制》（Limits on light WIMPs from the first 102.8 kg-days data of the CDEX-10 experiment）。

實驗設備示意圖

CDEX-10實驗裝置與自旋無關暗物質排除曲線

中國暗物質實驗研究團隊利用液氮直冷點電極高純鍺探測器在4-5 GeV範圍內給出8×10-42cm2的自旋無關暗物質直接探測靈敏度，獲得世界目前最好的結果。

暗物質是指宇宙中那些既不發射光，也不吸收和反射光的物質。更嚴格地講，就是不參與電磁相互作用和強相互作用，但依然能夠施加引力影響的不可見物質。天文學的眾多觀測數據和結果表明，暗物質廣泛分布在宇宙的各個角落，約佔整個宇宙物質質量的85%，在物質起源和宇宙演化過程中具有十分重要的地位。

當前暗物質探測方法大體分為三類：間接探測實驗、直接探測實驗和加速器實驗。間接探測實驗為了減少地球大氣層的干擾，實驗通常在太空進行，如於2015年底發射升空的「悟空」號暗物質粒子探測衛星。直接探測實驗為了減少宇宙線的干擾，通常在地下實驗室中進行。加速器實驗則希望通過普通粒子的對撞來產生暗物質粒子。由於加速器實驗要求將普通粒子加速到極高的能量，主要在歐洲核子中心的大型強子對撞機上進行。根據這三類探測方法的各自特點，我們可以將他們形象地比喻成「上天」「入地」和「人造暗物質」。

中國暗物質實驗研究團隊在中國錦屏地下實驗室開展的暗物質直接探測研究屬於「入地」。當彌散在整個空間的暗物質粒子偶爾與鍺原子核發生碰撞後，會導致鍺核發生反衝並通過電離過程在探測器內沉積能量。研究團隊所進行的點電極高純鍺探測器實驗就是通過研究反衝核的反衝能量、事例率及其變化等參數來研究暗物質粒子的質量、與靶核的相互作用截面、暗物質分布等性質。

高純鍺是一種半導體材料，純度非常高，雜質濃度一般在1010原子/cm3的水平，相對純度達到了99.9999999999%（俗稱12個9），這一純度是人們熟知的萬足金（99.99%）的一千萬倍。由於高純鍺的純度很高，因此自身放射性水平很低。同時，由於其作為一種半導體探測器，平均電離能很小，能夠獲得比閃爍探測器和氣體探測器好很多的能量解析度和極低的能量閾值。基於以上特點，國際上若干實驗組如CDEX（中國）、CoGeNT（美國）、SuperCDMS（美國）、EDELWEISS（歐洲）等均採用高純鍺晶體作為靶材料和探測器進行暗物質直接探測實驗。

中國暗物質實驗研究團隊正式成立於2009年，由清華大學（工程物理系）主導，聯合四川大學、南開大學、中國原子能科學研究院、北京師範大學、雅礱江流域水電開發有限公司等多家單位組成，使用點電極高純鍺探測器進行暗物質直接探測研究，計劃未來使用噸量級的點電極高純鍺探測器陣列進行暗物質直接探測和無中微子雙貝塔衰變的測量。

CDEX合作組部分成員合影

研究團隊於2010年起，在中國錦屏地下實驗室（China JinPing underground Laboratory, CJPL）開始暗物質直接探測研究（CDEX-1）。合作組自主設計國際單體質量最大的1公斤級點電極高純鍺探測器單元，並在錦屏地下實驗室中搭建了完整的實驗系統開展實驗，於2013年發表了暗物質問題提出八十多年來我國首個自主暗物質直接探測的物理結果，開始在暗物質直接探測的國際舞台上嶄露頭角。2014年，合作組利用反符合甄別技術和體事例/表面事例甄別方法，將自旋相關暗物質的靈敏度提高了一個量級，不僅得到了國際點電極高純鍺自旋相關暗物質探測實驗的最好結果，而且完全排除了使用同類技術的美國CoGeNT實驗組宣稱的發現暗物質的區域（美國CoGeNT實驗組的研究成果自2011年發表到現在，引用次數超過900次），這也是暗物質直接探測歷史上第一次對疑似暗物質事例的確定性排除。2018年初，合作組基於進一步降低閾值和本底水平的新型1公斤級點電極高純鍺探測器，又發表了4 GeV以下自旋相關暗物質探測國際最靈敏結果。

研究團隊目前進行到第二階段CDEX-10實驗。與CDEX-1不同， CDEX-10替換了不利於提高探測器質量的冷指製冷技術，在國際上首次採用液氮直冷方式，使用由三串探測器（每串探測器內部包含了三個1公斤量級的點電極高純鍺探測器）構成的總質量約10 kg的點電極高純鍺探測器陣列進行暗物質直接探測實驗。這項實驗成果是CDEX-10實驗的第一個物理成果。