圖為PandaX實(shí)驗(yàn)所用裝置。 

近日，從四川錦屏山2400米山體深處傳來(lái)我國(guó)PandaX（熊貓計(jì)劃）二期500公斤級(jí)液氙暗物質(zhì)探測(cè)器運(yùn)行的第一個(gè)物理結(jié)果：在3.3萬(wàn)公斤·天的曝光量下，未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子蹤跡，對(duì)可能的暗物質(zhì)候選對(duì)象得出了最新的限制。這一探測(cè)的靈敏度處于當(dāng)前世界最高水平。

在北京時(shí)間7月21日于英國(guó)舉行的兩年一度的國(guó)際暗物質(zhì)大會(huì)上，上海交通大學(xué)鴻文講席教授、中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室PandaX實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人季向東博士正式公布了這一結(jié)果。

用氙原子作為探測(cè)靶子，探測(cè)圍繞地球成千上萬(wàn)億的暗物質(zhì)粒子

PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)是由上海交通大學(xué)牽頭，北京大學(xué)、山東大學(xué)、中科院上海應(yīng)用物理研究所、中山大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)原子能科學(xué)研究院和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等國(guó)內(nèi)多單位合作的首個(gè)大型液氙暗物質(zhì)地下直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)。美國(guó)馬里蘭大學(xué)和密西根大學(xué)的科學(xué)家也參加了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室建在由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司開發(fā)的錦屏深地實(shí)驗(yàn)室之中。

根據(jù)最新天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究，暗物質(zhì)代表了宇宙中約85%的物質(zhì)含量。但是，由于與普通物質(zhì)沒(méi)有直接電磁相互作用，所以暗物質(zhì)不發(fā)光，類似于“幽靈”，無(wú)法用通常的辦法看到。

科學(xué)家們普遍認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)之間極有可能存在一種微弱的相互作用。這個(gè)作用能使物理學(xué)家通過(guò)衛(wèi)星上的探測(cè)器，如中國(guó)最近發(fā)射的“悟空”，或是借助發(fā)現(xiàn)上帝粒子的歐洲核子中心大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和類似PandaX的深地暗物質(zhì)探測(cè)器來(lái)尋找暗物質(zhì)。但這個(gè)作用太過(guò)微弱，暗物質(zhì)粒子可以輕松穿過(guò)地球，探測(cè)起來(lái)異常困難。

通俗地說(shuō)，PandaX實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于織了一張目前最密的網(wǎng)，試圖捕捉暗物質(zhì)信號(hào)。

PandaX實(shí)驗(yàn)用氙原子作為探測(cè)靶子，采取“守株待兔”的方式，探測(cè)彌散在地球周圍的成千上萬(wàn)億的暗物質(zhì)粒子可能碰撞到氙原子上而發(fā)生的微弱信號(hào)。碰撞會(huì)轉(zhuǎn)化為氙原子的反沖能，在探測(cè)器中發(fā)光、發(fā)電。光和電信號(hào)都可以通過(guò)靈敏的光電管作為“事件”記錄下來(lái)。

PandaX實(shí)驗(yàn)首次采用了110個(gè)新型三英寸的光電倍增管來(lái)進(jìn)行記錄。最新結(jié)果相當(dāng)于3.3萬(wàn)公斤的氙原子在一天時(shí)間內(nèi)沒(méi)有和這些暗物質(zhì)粒子發(fā)生過(guò)一次碰撞，或者一公斤的氙原子在3.3萬(wàn)天里沒(méi)有發(fā)生過(guò)一次碰撞。這對(duì)可能的暗物質(zhì)粒子作出前所未有的實(shí)驗(yàn)限制。而這些限制使暗物質(zhì)粒子的“性質(zhì)”越來(lái)越明確，這對(duì)暗物質(zhì)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(shí)驗(yàn)室建在2400米深的山體下，探測(cè)器仍可能受到干擾

“在科研上，發(fā)現(xiàn)一條路和堵死一條路同樣重要?！敝袊?guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員張新民總結(jié)說(shuō)。

探測(cè)實(shí)驗(yàn)最困難的地方是探測(cè)器中可能存在多種外來(lái)干擾。即使把實(shí)驗(yàn)室建在2400米深的山體下，用上百噸的高純材料把探測(cè)器層層包圍起來(lái)，在從2016年3月到6月底近100天的運(yùn)行中，PandaX探測(cè)器仍然記錄了約3000萬(wàn)次的事件。通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行甄別，一一排除，只剩下一個(gè)發(fā)生在北京時(shí)間2016年6月11日3點(diǎn)3分6秒的“可疑事件”。但細(xì)致分析的結(jié)果，這個(gè)事件來(lái)源于探測(cè)材料的放射性，而不是暗物質(zhì)。

負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的上海交通大學(xué)特聘教授劉江來(lái)表示，利用一個(gè)全新的探測(cè)器對(duì)所有探測(cè)到的事件進(jìn)行“模式識(shí)別”，用前所未有的精度來(lái)甄別暗物質(zhì)信號(hào)和背景“噪聲”，也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

實(shí)驗(yàn)所用的500公斤級(jí)探測(cè)器是PandaX合作組自主研發(fā)的，是全世界運(yùn)行中最大的暗物質(zhì)探測(cè)器，靈敏度也最高。目前合作組還在繼續(xù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行更高靈敏度的探測(cè)。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所原所長(zhǎng)、科技部“十三五”重大項(xiàng)目組組長(zhǎng)陳和生表示，PandaX二期實(shí)驗(yàn)的最新結(jié)果表明，中國(guó)深地暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科技大學(xué)教授、高能物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家趙政國(guó)說(shuō)，暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈，PandaX合作組利用短短100天的數(shù)據(jù)便得到了國(guó)際領(lǐng)先的對(duì)暗物質(zhì)和普通物質(zhì)作用的上限，難能可貴。它表明，中國(guó)的科學(xué)家在探索宇宙、探索自然的最尖端領(lǐng)域，在中國(guó)本土也可以做出國(guó)際領(lǐng)先的成就。