上海交大公布世界最大暗物质实验首个结果 灵敏度下暗物质不能被探测

上海交通大学刘江来老师介绍实验装置运作情况。本报记者叶辰亮摄

本报讯　(首席记者姜澎)　北京时间21日晚，上海交通大学鸿文讲席教授、中国锦屏地下实验室PandaX(熊猫计划)实验负责人季向东博士在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上，正式公布了PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果：在3.3万公斤每天的曝光量下，未发现暗物质粒子的踪迹。至此，在这一级别灵敏度上对暗物质探测的“大门”又关上了一扇。

上海交大的联合课题组称，目前采用液氙探测暗物质的探测方式还远未到终点。在PandaX二期的下一阶段实验中，课题组将提高灵敏度，同时，开发PandaX三期用另一种新的方式来寻找暗物质粒子。

越来越多的暗物质模型在实验中被排除。去年，美国的LUX暗物质实验也在某一灵敏级别和某些特性方面宣布了暗物质探测的失败。但是在科学家们看来，包括上海交大这次阶段性结果的宣布，对可能的暗物质粒子作出了前所未有的实验限制。这些限制使暗物质粒子的“性质”越来越明确。

在过去几年中，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也已经受到越来越强的约束。用上海交通大学物理与天文系教授、PandaX的成员刘江来的话说，全球的科学家们目前正在织一张网，随着某些实验的失败或者是成功，这张网正被变得越来越小，这也使得我们离暗物质的探测成功又近了一步。

据中科院高能物理所研究员张新民介绍，这一结果也使我们思考暗物质是否有其他的存在方式。粒子物理学家构建出了各种暗物质模型，任一模型通过最灵敏的方式排除，都可以使得其他的粒子物理学家知道自己下一步往哪里走。这就和引力波的探索一样，在发现引力波前，所有的实验几乎都是“0”，只有第一次发现的才是“1”。

PandaX暗物质实验是由上海交通大学牵头，包括国内北京大学、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的首个大型液氙暗物质地下直接探测实验。美国马里兰大学和密歇根大学的科学家也参加了这个实验。实验室建在由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司开发的锦屏深地实验室中。这是目前世界上精度最高、也是最大的暗物质实验。

根据最新天文学和宇宙学的研究，暗物质作为一种粒子代表了宇宙中约85%的物质含量，但是与普通物质没有直接电磁相互作用，所以暗物质不发光，类似于“幽灵”，无法用通常的办法看到。在天文观测中，大银河系的螺旋形结构中的雾霾状物质被认为就是我们常说的暗物质。

科学家们普遍认为，暗物质粒子与普通粒子之间极有可能存在一种微弱的相互作用。这个作用使得物理学家能够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型强子对撞机，或是类似PandaX的深地暗物质探测器来寻找暗物质。但这个作用太过微弱，暗物质粒子可以轻松穿过地球，这使得探测起来异常困难。

PandaX实验用氙原子探测，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。PandaX二期的探测密度可以使得探测器的灵敏度达到了一个光子或者一个电子。

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。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)，在今年3月到6月底近100天的运行中，PandaX探测器也记录了约3000万次的事件。这些事件可以通过计算机高效地数据处理，进行甄别，一一排除。最后剩下的可疑事件只有一个，该事件发生在北京时间今年6月11日3时3分6秒。通过细致分析，这个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”，用前所未有的精度来甄别暗物质信号和背景“噪声”。而PandaX的分析团队每天花14小时以上，在极短时间内完成了数据分析工作。