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中國暗物質“捕手”後來居上
2017-12-07 07:33:40 來源: 光明日報
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  PandaX-Ⅲ計劃示意圖,目標是測量“氙136的無中微子雙貝塔衰變”。

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    日前,暗物質粒子探測衛星“悟空”發表了首篇科學論文,打開了暗物質觀測的新窗口。其實,在暗物質探測領域,我國不僅在空間探測上有所作為,地面探測也可圈可點——中國暗物質探測實驗“熊貓計劃”(PandaX)獲得的數據,多次成為當年世界最好結果。在位于四川涼山彝族自治州的錦屏山下,在覆蓋著2400多米岩石的極深地下,科學家們正在捕捉暗物質存在的最直接證據,不斷刷新對暗物質粒子性質的限制紀錄,為人類探索自然界奧秘貢獻中國力量。

  2400米深的中國四川錦屏山山體內,中國首個極深地下實驗室裏的大型暗物質探測器日夜運轉。

  “如果把探測器中的原子比作一片樹林,暗物質粒子則是成群結隊飛奔而來、呼嘯而過的兔子,難免有一只或幾只不長眼的家夥迎頭撞死在某棵樹下,被農夫捕獲。”上海交通大學鴻文講席教授、“熊貓計劃”(PandaX)項目負責人季向東為我們講述錦屏山深地隧道中正在進行的PandaX。

  從2014年3月23日取數到今天,PandaX已連續運行三年零六個月。2016年、2017年的兩年間,PandaX發布的數據都是當年全世界最好的探測結果。“不斷地改進儀器的靈敏度,有一天我們可能會探測到暗物質。對暗物質性質的研究,將使人類認知産生一個飛躍。”季向東説,“即便有一天我們探測不到暗物質,對暗物質的研究終將刷新人類對于世界的認知。”

  地心“熊貓”的誕生

  科學家認為,人類的身邊遊離著數量眾多的暗物質,看不見、摸不著,總量大約是常規世界物質的6倍。過去十多年,許多科學家窮盡各種實驗方法,試圖與佔據宇宙質量85%的暗物質“接觸”。這是全世界公認的人類21世紀最重要的科學問題之一,所有的實驗合作組都期望率先發現暗物質粒子的信號。

  2009年以前,中國本土的暗物質研究還是一片空白。改變始于錦屏山。2008年8月8日,北京奧運開幕當天,錦屏山交通配套隧道貫通。得知這一消息的物理學家們興奮了,他們敏銳地感到,中國缺乏開展暗物質研究條件的歷史,或許將被改寫。

  2009年3月17日,季向東第一次來到錦屏山。那時錦屏山隧道剛貫通半年多,洞壁一直在冒水。穿著長雨靴,深一腳淺一腳,季向東進了隧道。那天,一行共7人,現任上海交通大學校長的林忠欽院士帶隊,還有清華大學、中科院、美國普林斯頓大學、加州大學洛杉磯分校的幾位教授。

  站在隧道中間,頭頂上是厚達2400多米的山體。整條隧道70%以上的部分,埋深大多在1500米以下。在極深的地下,絕大多數宇宙射線被隔離,岩層越厚,屏蔽效果越好,實驗環境也越純凈,隧道岩層所含的放射性之低也出乎意料——錦屏山底是暗物質探測的絕佳寶地。

  興奮,激動,熱望,在泥漿滿地的煤黑色隧道中央,雅礱江流域水電開發有限公司和清華大學共建中國首個極深地下實驗室,“PandaX”計劃隨之起步。

  季向東説,起名“熊貓計劃”,一來錦屏山所在的四川是熊貓的家鄉,二來也是一個有趣的巧合——“粒子和天體物理氙探測器”(Particle AND Astrophysical Xenon Detector)的英文簡寫裏本來就有這幾個字母。實驗原理是用提純的惰性元素氙(Xe)作為“靶子”來尋找暗物質,由上海交通大學牽頭,國內多個合作單位包括北京大學、山東大學、中科院上海應用物理研究所、中山大學、中國科學技術大學、中國原子能科學研究院和雅礱江流域水電開發有限公司等共同參與。

  PandaX項目的出現,對世界上液氙暗物質直接探測領域進行了“重新洗牌”——這一領域最有影響力的實驗主要是在意大利Gran Sasso國家地下實驗室進行的XENON暗物質實驗、美國南達科他州的大型地下氙項目LUX,以及中國錦屏山實驗室的PandaX項目。早在2014年Pandax項目取得首個結果時,《科學》雜志就以《探索暗物質,中國團隊迎頭趕上》為題,進行了報道。

  與世界“賽跑”

  暗物質粒子與普通物質之間極有可能存在微弱的相互作用,物理學家通過探測這種作用來尋找暗物質。

  今年8月,季向東在美國舉行的2017年度國際高能粒子天體物理大會上,宣布了PandaX項目合作組最新暗物質探測實驗結果,再次刷新對暗物質粒子性質限制的世界紀錄。這是PandaX繼2016年7月發布580公斤級探測儀的首個探測結果後,第二次發布國際最靈敏暗物質探測結果。

  季向東介紹,PandaX實驗用氙原子作為“靶子”,探測彌散在地球周圍的成千上萬億的暗物質粒子可能碰撞到氙原子上而發生的微弱光電信號。“我們把氙氣高度提純,在-100℃的低溫下使它成為液體,制作成液氙探測器。在首個PandaX實驗中,使用了一個由聚乙烯、鉛及高純銅組成的100噸屏蔽體屏蔽掉山洞岩石的放射性,研發了一個120公斤級的液氙探測器。”季向東説,所有的實驗過程都是“摸著石頭過河”,沒有現成的經驗,遇到了很多意想不到的困難,這一路都是在不斷的失敗和嘗試中走過來的。

  理論上講,“森林”裏的“樹”越多,捕獲“兔子”的可能性就越大。在2014年完成120公斤級“熊貓一期”探測儀的基礎上,PandaX合作組自主研制了580公斤的“二期”探測儀。後者是目前國際上最大的暗物質直接探測儀器之一,也是靈敏度更高、“樹木”更多的“密林”。2016年7月21日晚,在英國舉行的兩年一度的國際暗物質大會上,季向東向全球同行公布了PandaX二期液氙暗物質探測器運行的第一個物理結果,在每天3.3萬公斤的曝光量下,未發現暗物質粒子蹤跡,對可能的暗物質候選對象得出了最新限制。這一探測的靈敏度處于當時世界最高水平。

  隨後的一年裏,PandaX二期合作組對該探測儀進一步降低噪音,並進行了長時間運行,使探測器對暗物質和普通物質相互作用的探測靈敏度提高了3倍多。為了盡快發布探測結果,上海交通大學劉江來教授帶領多位研究人員通宵達旦工作,發布的探測結果再一次刷新對暗物質粒子性質限制的世界紀錄。

  三支“國家隊”共探“幽靈粒子”

  “盡管我們目前還沒有發現暗物質的蹤跡,但這些實驗結果使暗物質的輪廓越來越清晰,我們正處在發現暗物質的邊緣。”季向東表示。

  在錦屏山的隧道中央,清華大學牽頭的CDEX研究計劃也在持續進行,他們選擇了高純度鍺作為“靶子”,提出利用極低能量閾高純鍺探測器探測較低質量范圍的暗物質粒子的研究計劃。

  2015年12月,由紫金山天文臺暗物質與空間天文研究部和中國科技大學、中科院蘭州近代物理研究所、中科院高能物理研究所等合作研發的暗物質粒子探測衛星“悟空”發射升空,標志著中國正式進入暗物質空間探測領域。如今,“悟空”正在陸續産出科研成果。

  這三個項目是目前中國暗物質探測的主要科研團隊。在與世界“賽跑”的同時,中國的暗物質“捕手”後來者居上,不斷刷新“世界紀錄”,領跑暗物質探測的國際前沿。

  “中國的三支暗物質探測隊伍雖然使用了不同的探測途徑,但都在各自實驗的基礎上取得了非常好的成果。”季向東説,“在未來的時間裏,PandaX項目打算進行4噸級液氙探測器探測實驗,甚至聯合世界科學家進行30噸級液氙探測器的大型實驗,一步一步將實驗向前推進,相信會有樂觀的結果産生。”

  “暗物質研究的意義非常重大,中國的科學家有能力為人類探索未知宇宙做出自己的努力。”季向東説。(記者 顏維琦 通訊員 江倩倩)

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【糾錯】 責任編輯: 陳聽雨
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