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“熊猫”首窥暗物质引瞩目

“熊猫”首窥暗物质引瞩目

  7月21日晚,英国谢菲尔德大学。世界最大的暗物质实验公布首个结果——中国“熊猫计幸运28划”(PandaX)的第一个物理探测结果国际瞩目。

  当天,在两年一度的国际暗物质大会上,上海交通大学鸿文讲席教授、中国锦屏地下实验室PandaX项目负责人季向东公布了PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的首个结果:在每天3.3万公斤的曝光量下,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。

  PandaX二期暗物质实验是国际当前运行中最大规模的实验,中国科学院院士、著名高能物理实验学家赵政国表示,在这个国际竞争如此激烈的领域,研究人员利用短短100天的数据便得到了国际领先的对暗物质和普通物质作用的上限,难能可贵。“这个结果表明,中国科学家在探索宇宙、探索自然的最尖端领域,在本土也可以做出国际领先的成就。”

  参加国际暗物质大会的科学家对该实验组的结果反响热烈。美国能源部主持暗物质项目的官员萨拉蒙(Salamon)博士表示该结果令人震惊;法国著名原子能实验学家吉奥马塔里斯(Giomataris)博士表示结果非常引人注目;荷兰国家实验室的提舍尼(Tiseni)博士表示,PandaX实验是这次会议的“明星”。

  “守株”窥“幽灵”

  暗物质代表了宇宙中约85%的物质含量。但由于普通物质没有直接的电磁相互作用,所以暗物质不会发光,类似于“幽灵”,无法用通常的办法看到。

  科学家普遍认为,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。该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(LHC),或是类似PandaX的深地暗物质探测器寻找暗物质。但由于该作用太过微弱,暗物质粒子可以轻松穿过地球,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成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子而发生的微弱信号。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3英寸(约7.62厘米)的光电倍增管进行记录。季向东揭示说,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了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,对暗物质理论研究提供了非常重要的信息。

  分析“争分秒”

  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。据介绍,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。

  这些事件可通过计算机数据处理进行甄别,一一排除。最后剩下的可疑事件只有一个,该事件发生在今年6月11日3点3分6秒。通过细致分析,该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”,用前所未有的精度甄别暗物质信号和背景“噪声”。由于国际竞争的紧迫性,PandaX分析团队放弃了所有周末休息时间,每天花14小时以幸运28上分析和讨论,在极短时间内完成了数据分析工作。

  据介绍,PandaX所用的500公斤级探测器是由合作组自主研发,诞生于上海交大实验室,可对一个光子或一个电子进行灵敏探测。刘江来表示,在首个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。

  背后多“煎熬”

  “PandaX二期实验的最新结果表明,中国深地暗物质探测实验已经处于国际领先水平。”中国科学院院士陈和生说。

  不过,这项世界级的实验却扎根于不能再偏僻的一隅。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合作组从2012年起有多位成员常年在实验室工作,不分节假日“连轴转”。

  “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。”负责二期实验运行的博士生、在锦屏连续工作了300多天的谈安迪说,他在此次大会上报告了实验数据详细分析的过程。“对于一个科研工作者来,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得令人振奋?”

  据悉,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。该计划同时也是一项国际合作项目。美国马里兰大学和密歇根大学的科学家也参加了实验。

  (原载于《中国科学报》 2016-07-25 第1版 要闻)