我國科研團(tuán)隊(duì)晉升全球暗物質(zhì)追蹤第一獵手

7月21日晚，上海交通大學(xué)鴻文講席教授、中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室 PandaX(熊貓計(jì)劃)實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人季向東博士在英國舉行的兩年一度的國際暗物質(zhì)大會上正式公布了PandaX二期500公斤級液氙暗物質(zhì)探測器運(yùn)行的第一個物理結(jié)果，在3.3萬公斤/天的曝光量下，未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子蹤跡，對可能的暗物質(zhì)候選對象得出了最新的限制。這一探測的靈敏度處于當(dāng)前世界最高水平。7月22日下午，上海交通大學(xué)專門舉行新聞發(fā)布會，公布這一結(jié)果。

“昨天我們在大會上作報告的時候現(xiàn)場200多位科學(xué)家都很激動，PandaX團(tuán)隊(duì)有一種像在奧運(yùn)會上得了金牌的感覺!”身在英國的上海交通大學(xué)教授季向東通過視頻連線參與了發(fā)布會。該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)由季向東在2009年組建。

“最密的網(wǎng)”縮小了人類尋找暗物質(zhì)的范圍

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，而人類已知的普通物質(zhì)僅占約5%。由于與普通物質(zhì)沒有直接電磁相互作用，所以暗物質(zhì)不發(fā)光，無法用通常的辦法看到，因此得名暗物質(zhì)。不過科學(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。物理學(xué)家便是使用這種“微弱的相互作用”所發(fā)出的信號來尋找暗物質(zhì)。但由于作用太過微弱，探測工作異常困難。

為了應(yīng)對這個難題，PandaX二期進(jìn)行了目前全球最大的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)——500公斤級液氙暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)，持續(xù)約100天的實(shí)驗(yàn)整體液氙規(guī)模高達(dá)3.3萬公斤/天。負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的上海交通大學(xué)特聘教授劉江來在發(fā)布會現(xiàn)場解釋，實(shí)驗(yàn)規(guī)模“最大”的意義在于，暗物質(zhì)有最大的機(jī)率“撞”上普通物質(zhì)——液氙，而發(fā)出相互作用的信號，從而被探測到。

通俗來講，PandaX二期實(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。具體而言，這張“網(wǎng)”的“細(xì)密程度”是σ=2.7x10-46 cm2 ,其精度是2015年最先進(jìn)成果保持者美國LUX團(tuán)隊(duì)的兩倍。

PandaX實(shí)驗(yàn)用氙原子作為探測靶子，采取“守株待兔”的方式，探測彌散在地球周圍的成千上萬億的暗物質(zhì)粒子可能碰撞到氙原子上而發(fā)生的微弱信號。而實(shí)驗(yàn)記錄顯示，實(shí)驗(yàn)過程中并沒有符合預(yù)期的信號產(chǎn)生，這個結(jié)果相當(dāng)于，3.3萬公斤的氙原子在一天時間內(nèi)沒有和這些暗物質(zhì)粒子發(fā)生過一次碰撞，或者1公斤的氙原子在3.3萬天里沒有發(fā)生過一次碰撞。

這意味著，目前“最密的網(wǎng)”對于暗物質(zhì)來說仍舊過于“稀疏”，這對可能的暗物質(zhì)粒子的存在條件作出前所未有的理論限制， 縮小了人類尋找暗物質(zhì)的范圍。

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

“最靈敏的網(wǎng)”能識別哪種信號源自暗物質(zhì)

該探測實(shí)驗(yàn)最困難的地方在于探測器中可能存在多種外來干擾，這些干擾也會產(chǎn)生光電信號，讓科學(xué)家誤以為捕捉到了暗物質(zhì)信號。

為盡可能減少干擾，PandaX的實(shí)驗(yàn)室建造于2400米深的山體下，由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司共同開發(fā)完成。

實(shí)驗(yàn)過程中，任何物質(zhì)與氙原子碰撞都會轉(zhuǎn)化為氙原子的反沖能，在探測器中發(fā)光、發(fā)電，而光和電信號“事件”被記錄下來便可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，來確認(rèn)與氙原子相撞的到底是不是暗物質(zhì)。

PandaX500公斤級探測器靈敏到可以對一個光子或一個電子進(jìn)行探測，由PandaX合作組自主研發(fā)，在上海交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建造。劉江來表示，這次數(shù)據(jù)分析挑戰(zhàn)性最高的地方在于利用一個全新的探測器對所有探測到的事件進(jìn)行“模式識別”，用前所未有的精度來甄別暗物質(zhì)信號和背景“噪聲”。

通俗地講，PandaX探測器捕捉光電信號事件類似于用“最靈敏的網(wǎng)”捕魚，如果把普通物質(zhì)比做大鯰魚，那么暗物質(zhì)可能就是小泥鰍。這張網(wǎng)可以在“捕魚”的過程中識別哪種“水花”(信號)是大鯰魚濺起的，哪種“水花”是小泥鰍濺起的，從而為精確地捕獲泥鰍提供保障。

在從2016年3月到6月底近100天的運(yùn)行中，PandaX探測器捕獲了約3000萬次光電信號事件。而經(jīng)過甄別，這3000萬朵“水花”中只有一起疑似是“小泥鰍”——暗物質(zhì)引起的。但通過細(xì)致分析，這個信號事件并非源于暗物質(zhì)。劉江來表示，能這樣很干凈地排除本底干擾顯示出PandaX探測器在暗物質(zhì)探測方面巨大的優(yōu)越性。

“孩子王”帶“孩子們”做追蹤暗物質(zhì)領(lǐng)跑者

7月22日，在上海交大PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)布會現(xiàn)場，劉江來度過了他40歲的生日，主辦方為他準(zhǔn)備了生日蛋糕。劉江來激動地說：“我們就好像是孩子王，帶一群孩子們終于完成了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生們都非常優(yōu)秀。”

PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)是由上海交通大學(xué)牽頭，國內(nèi)多個合作單位包括北京大學(xué)、山東大學(xué)、中科院上海應(yīng)用物理研究所、中山大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院和位于四川的雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等參與的首個大型液氙暗物質(zhì)地下直接探測實(shí)驗(yàn)。美國馬里蘭大學(xué)和密西根大學(xué)的科學(xué)家也參與其中。

提起這些“孩子”，劉江來堅(jiān)持把他們的名字一一讀到。他還特別強(qiáng)調(diào)，團(tuán)隊(duì)中最年輕的成員只有23歲。

由于暗物質(zhì)研究國際競爭激烈，為了盡快完成3000萬次的數(shù)據(jù)分析，PandaX的“孩子王”和“孩子們”放棄了所有周末休息時間，每天花14小時以上分析和討論。

剛剛博士畢業(yè)于上海交通大學(xué)的肖夢蛟負(fù)責(zé)PandaX一期實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行，2013年，他在地下2400米深的“洞”里連續(xù)工作了11個月，每天凌晨兩點(diǎn)睡，早上8點(diǎn)開始工作，“一周7天，天天如此”。

負(fù)責(zé)二期實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的馬里蘭大學(xué)博士生談安迪在實(shí)驗(yàn)“洞”里連續(xù)工作了300多天。他說：“經(jīng)歷諸多挫折與內(nèi)心的煎熬，最終攻克探測器研發(fā)與運(yùn)行中遇到的各種問題，達(dá)到世界領(lǐng)先的靈敏度，心中是滿滿的幸福。”昨天，談安迪在英國舉行的國際暗物質(zhì)大會上報告了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析過程。

身在英國的季向東表示，參加國際暗物質(zhì)大會的科學(xué)家對PandaX實(shí)驗(yàn)組的結(jié)果反應(yīng)非常熱烈，紛紛表示祝賀。美國能源部主持暗物質(zhì)項(xiàng)目的官員薩勒門博士表示，PandaX的結(jié)果令人震驚(stunning)。 國際XENON合作組成員、荷蘭國家實(shí)驗(yàn)室的蒂森尼博士則說，這次會議的“明星”是PandaX實(shí)驗(yàn)。

中國科學(xué)院高能物理研究所原所長陳和生表示，PandaX二期實(shí)驗(yàn)的最新結(jié)果表明，中國深地暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。

中國科學(xué)院院士、高能物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家趙政國說，中國的科學(xué)家在探索宇宙、探索自然的最尖端領(lǐng)域，在中國本土也可以所得國際領(lǐng)先的成就。