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中国暗物质“捕手”后来居上

2017-12-07 10:24 来源:光明日报 颜维琦 本报通讯员 江倩倩

  PandaX-Ⅲ计划示意图,目标是测量“氙136的无中微子双贝塔衰变”。

  新华社发

  日前,暗物质粒子探测卫星“悟空”发表了首篇科学论文,打开了暗物质观测的新窗口。其实,在暗物质探测领域,我国不仅在空间探测上有所作为,地面探测也可圈可点——中国暗物质探测实验“熊猫计划”(PandaX)获得的数据,多次成为当年世界最好结果。在位于四川凉山彝族自治州的锦屏山下,在覆盖着2400多米岩石的极深地下,科学家们正在捕捉暗物质存在的最直接证据,不断刷新对暗物质粒子性质的限制纪录,为人类探索自然界奥秘贡献中国力量。

  2400米深的中国四川锦屏山山体内,中国首个极深地下实验室里的大型暗物质探测器日夜运转。

  “如果把探测器中的原子比作一片树林,暗物质粒子则是成群结队飞奔而来、呼啸而过的兔子,难免有一只或几只不长眼的家伙迎头撞死在某棵树下,被农夫捕获。”上海交通大学鸿文讲席教授、“熊猫计划”(PandaX)项目负责人季向东为我们讲述锦屏山深地隧道中正在进行的PandaX。

  从2014年3月23日取数到今天,PandaX已连续运行三年零六个月。2016年、2017年的两年间,PandaX发布的数据都是当年全世界最好的探测结果。“不断地改进仪器的灵敏度,有一天我们可能会探测到暗物质。对暗物质性质的研究,将使人类认知产生一个飞跃。”季向东说,“即便有一天我们探测不到暗物质,对暗物质的研究终将刷新人类对于世界的认知。”

  地心“熊猫”的诞生

  科学家认为,人类的身边游离着数量众多的暗物质,看不见、摸不着,总量大约是常规世界物质的6倍。过去十多年,许多科学家穷尽各种实验方法,试图与占据宇宙质量85%的暗物质“接触”。这是全世界公认的人类21世纪最重要的科学问题之一,所有的实验合作组都期望率先发现暗物质粒子的信号。

  2009年以前,中国本土的暗物质研究还是一片空白。改变始于锦屏山。2008年8月8日,北京奥运开幕当天,锦屏山交通配套隧道贯通。得知这一消息的物理学家们兴奋了,他们敏锐地感到,中国缺乏开展暗物质研究条件的历史,或许将被改写。

  2009年3月17日,季向东第一次来到锦屏山。那时锦屏山隧道刚贯通半年多,洞壁一直在冒水。穿着长雨靴,深一脚浅一脚,季向东进了隧道。那天,一行共7人,现任上海交通大学校长的林忠钦院士带队,还有清华大学、中科院、美国普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校的几位教授。

  站在隧道中间,头顶上是厚达2400多米的山体。整条隧道70%以上的部分,埋深大多在1500米以下。在极深的地下,绝大多数宇宙射线被隔离,岩层越厚,屏蔽效果越好,实验环境也越纯净,隧道岩层所含的放射性之低也出乎意料——锦屏山底是暗物质探测的绝佳宝地。

  兴奋,激动,热望,在泥浆满地的煤黑色隧道中央,雅砻江流域水电开发有限公司和清华大学共建中国首个极深地下实验室,“PandaX”计划随之起步。

  季向东说,起名“熊猫计划”,一来锦屏山所在的四川是熊猫的家乡,二来也是一个有趣的巧合——“粒子和天体物理氙探测器”(Particle AND Astrophysical Xenon Detector)的英文简写里本来就有这几个字母。实验原理是用提纯的惰性元素氙(Xe)作为“靶子”来寻找暗物质,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共同参与。

  PandaX项目的出现,对世界上液氙暗物质直接探测领域进行了“重新洗牌”——这一领域最有影响力的实验主要是在意大利Gran Sasso国家地下实验室进行的XENON暗物质实验、美国南达科他州的大型地下氙项目LUX,以及中国锦屏山实验室的PandaX项目。早在2014年Pandax项目取得首个结果时,《科学》杂志就以《探索暗物质,中国团队迎头赶上》为题,进行了报道。

  与世界“赛跑”

  暗物质粒子与普通物质之间极有可能存在微弱的相互作用,物理学家通过探测这种作用来寻找暗物质。

  今年8月,季向东在美国举行的2017年度国际高能粒子天体物理大会上,宣布了PandaX项目合作组最新暗物质探测实验结果,再次刷新对暗物质粒子性质限制的世界纪录。这是PandaX继2016年7月发布580公斤级探测仪的首个探测结果后,第二次发布国际最灵敏暗物质探测结果。

  季向东介绍,PandaX实验用氙原子作为“靶子”,探测弥散在地球周围的成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子上而发生的微弱光电信号。“我们把氙气高度提纯,在-100℃的低温下使它成为液体,制作成液氙探测器。在首个PandaX实验中,使用了一个由聚乙烯、铅及高纯铜组成的100吨屏蔽体屏蔽掉山洞岩石的放射性,研发了一个120公斤级的液氙探测器。”季向东说,所有的实验过程都是“摸着石头过河”,没有现成的经验,遇到了很多意想不到的困难,这一路都是在不断的失败和尝试中走过来的。

  理论上讲,“森林”里的“树”越多,捕获“兔子”的可能性就越大。在2014年完成120公斤级“熊猫一期”探测仪的基础上,PandaX合作组自主研制了580公斤的“二期”探测仪。后者是目前国际上最大的暗物质直接探测仪器之一,也是灵敏度更高、“树木”更多的“密林”。2016年7月21日晚,在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上,季向东向全球同行公布了PandaX二期液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果,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限制。这一探测的灵敏度处于当时世界最高水平。

  随后的一年里,PandaX二期合作组对该探测仪进一步降低噪音,并进行了长时间运行,使探测器对暗物质和普通物质相互作用的探测灵敏度提高了3倍多。为了尽快发布探测结果,上海交通大学刘江来教授带领多位研究人员通宵达旦工作,发布的探测结果再一次刷新对暗物质粒子性质限制的世界纪录。

  三支“国家队”共探“幽灵粒子”

  “尽管我们目前还没有发现暗物质的踪迹,但这些实验结果使暗物质的轮廓越来越清晰,我们正处在发现暗物质的边缘。”季向东表示。

  在锦屏山的隧道中央,清华大学牵头的CDEX研究计划也在持续进行,他们选择了高纯度锗作为“靶子”,提出利用极低能量阈高纯锗探测器探测较低质量范围的暗物质粒子的研究计划。

  2015年12月,由紫金山天文台暗物质与空间天文研究部和中国科技大学、中科院兰州近代物理研究所、中科院高能物理研究所等合作研发的暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,标志着中国正式进入暗物质空间探测领域。如今,“悟空”正在陆续产出科研成果。

  这三个项目是目前中国暗物质探测的主要科研团队。在与世界“赛跑”的同时,中国的暗物质“捕手”后来者居上,不断刷新“世界纪录”,领跑暗物质探测的国际前沿。

  “中国的三支暗物质探测队伍虽然使用了不同的探测途径,但都在各自实验的基础上取得了非常好的成果。”季向东说,“在未来的时间里,PandaX项目打算进行4吨级液氙探测器探测实验,甚至联合世界科学家进行30吨级液氙探测器的大型实验,一步一步将实验向前推进,相信会有乐观的结果产生。”

  “暗物质研究的意义非常重大,中国的科学家有能力为人类探索未知宇宙做出自己的努力。”季向东说。

(责任编辑:王蔚)

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