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“熊猫计划”发布迄今最灵敏暗物质探测结果

2017-08-09 09:27 来源:科技日报 张盖伦

  在“你追我赶”的暗物质探测国际竞争中,中国主导的“熊猫计划(PandaX)”再下一城。

  8日凌晨,“熊猫计划”(Particle AND Astrophysical Xenon Detector,粒子和天体物理氙探测器,英文简写为PandaX)项目负责人、上海交通大学鸿文讲席教授季向东在“2017年度国际高能粒子天体物理大会(TeVPA 2017)”上公布了该项目合作组最新暗物质探测实验结果——在“54吨·天”的国际最大曝光量下,得到了暗物质与核子的碰撞截面应小于“6×10-47平方厘米”限制,再次刷新了对暗物质粒子性质限制的世界纪录。

  暗物质这个东西,悄无声息,且难留痕迹。它不发射任何波段的电磁波,也不与任何电磁波发生相互作用。可它不容忽视——迄今的研究和分析表明,暗物质占宇宙物质总质量约80%以上。

  怎么找到它?“熊猫计划”的方法,是把氙原子作为靶子——来,撞吧!暗物质粒子如果碰撞到氙原子,这种碰撞会转化为氙原子的反冲能,发出光电信号,从而被探测器捕捉。

  季向东曾用“守株待兔”来打比方。暗物质粒子仿佛成群结队跑来的兔子,氙原子好比森林中一棵棵树。难免有一两只兔子会撞死在某棵树下,成为科学家的战利品。

  问题的关键在于,大森林里不只有兔子,还有雄狮猛虎,谁撞上来的动静都比兔子大。所以,要找一片没有或少有其他生物出没的森林。这里就是中国锦屏地下实验室。它在锦屏山内,2400米山体成了它的天然屏障,实验室内的宇宙射线通量可以降到地面水平的千万分之一到亿分之一。

  另外,树木间距还得小,树排得越密越好。

  但要密到什么程度呢?“我们用了一个面积的概念来体现两种粒子之间的碰撞几率。”负责实验数据分析的上海交通大学教授刘江来告诉科技日报记者。“6×10-47平方厘米”,这意味着碰撞概率非常非常低。至少,在54吨·天的曝光量下,“熊猫计划”所采用的580公斤液氙探测器并没有探测到一例暗物质粒子碰撞事件。“我们给出了碰撞几率的上限。”刘江来说。

  “没看到”,同样有意义。它为暗物质粒子性质做出了更加严格的限制。下一步要做的,就是继续提高探测灵敏度。

  有两个努力的方向:一是提升探测器体量,二是尽可能降低噪声。刘江来透露,他们正在紧锣密鼓筹备下一代探测器,目前使用的580公斤级液氙暗物质探测器将升级到4吨。“新探测器的各个组件正在建造,接下来是总装、联调和测试。我们希望,能在2018年终止580公斤级液氙探测器的运行,全力开展升级版探测器的实验,并争取在2019年获得新探测器的第一批数据。”刘江来说。

  要争分夺秒抢占先机,是因为暗物质是基础物理最为重要的谜团之一。国际上的数个合作小组,都在为“捉”住暗物质而努力。“如果我们率先找到暗物质,对整个科学界来说,都会是极其重要的发现。”和所有基础研究一样,在让暗物质现身的过程中,相关的工程技术也能得到发展。“我们是在跟世界上最强、最有创新力的科研团队竞争,这对我国相关领域的人才储备和培养,同样具有推动作用。”刘江来说。

  背景链接 锦屏地下实验室由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同开发,雅砻水电也参与了“熊猫计划”项目建设。

  “熊猫计划”由上海交通大学主导,此次公布的数据是“熊猫计划”二期的实验结果,该计划二期合作组成员还包括来自北京大学、山东大学和中科院应用物理研究所等单位的科研人员。

(责任编辑:王蔚)

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