这一次，这只4吨的“熊猫”能否捕获暗物质

在四川凉山，有一处位于地下2500米深的所在，在这个名为“中国锦屏极深地下暗物质实验室”里，有一个40米长、6.5米高、8.5米宽的实验大厅，这是目前世界上最深、也是条件最好的地下实验室，也是“熊猫计划”的实施地。

中国的“熊猫”四吨级液氙实验（PandaX-4T）正紧锣密鼓研制，准备在四川锦屏地下实验室开展国际下一代暗物质直接探测实验，其预期的暗物质探测灵敏度将比当前世界水平提高一个数量级。《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版2019年62卷第3期封面文章报道了这一研究进展，上海交通大学季向东教授和周宁特别研究员担任文章通讯作者。

“熊猫”是什么？

理论上暗物质粒子与常规物质可以有非常微弱的相互作用，暗物质粒子有可能被精密的实验仪器探测到。目前科学家采用的探测手段可以分为三类：一是探测暗物质粒子直接与探测器中的物质发生相互作用，称为“直接探测”；二是寻找宇宙中暗物质自身衰变或湮灭产生普通物质的信号，称为“间接探测”；三是探寻粒子对撞机中人为产生的暗物质粒子，称为“对撞机探测”。“熊猫”暗物质实验PandaX是我国首个大型液氙暗物质地下直接探测实验。

PandaX国际合作组于2009年由上海交通大学牵头正式成立，包括山东大学、北京大学、中国科学技术大学、中科院上海应用物理研究所、中山大学、中国原子能科学研究院、雅砻江流域水电开发有限公司、美国马里兰大学等的40多位研究人员也参与了其中。PandaX合作组在锦屏地下实验室中先后开展了120公斤和580公斤级液氙探测实验，并且在2016年和2017年两次取得了世界领先的暗物质直接探测结果。目前合作组正在开展下一代“熊猫”四吨级液氙实验的研发，继续推进对暗物质等稀有物理的探测。

四吨“熊猫”灵敏吗？

来自宇宙中的暗物质粒子入射，和探测器中的靶原子碰撞，产生可被探测的闪烁光信号，被位于探测器上下两端的光电收集系统测量，从而得到暗物质粒子碰撞的三维位置和能量。

但是这种暗物质信号极其微弱，探测难度极大，如同在闹市中听到一根针掉落的声音。。。实现“熊猫”四吨级液氙实验高灵敏度探测的关键是严格控制各种噪声，尤其是来自探测器组成材料和液态氙中的放射性杂质。在国家自然科学基金的支持下，PandaX合作组对实验中各种放射性杂质进行了模拟计算，预计在暗物质信号区域一年数据中的噪声事例不超过三个。在这种极低的噪声条件下，“熊猫”四吨级液氙实验预期灵敏度能够比当前世界水平提高一个数量级，可以探测暗物质理论预言的最可能出现区域。这为“熊猫”四吨级液氙实验的研制提供了重要参考。

▲上图为“熊猫”四吨级液氙实验中心探测器设计图；下图为暗物质探测预期（横坐标为暗物质质量，纵坐标为自旋无关暗物质和核子相互作用强度探测灵敏度），“熊猫”四吨级液氙实验预期暗物质探测灵敏度将比当前世界水平再推进一个数量级（来自PandaX合作组）

熊猫”四吨级液氙实验各个子系统研发正在有序开展中，期望早日在四川锦屏地下实验室开始运行。“今日长缨在手，何时缚住苍龙”？四吨“熊猫”能不能捕获到暗物质粒子，让我们拭目以待。

▲“熊猫”四吨级液氙实验的中心探测器原型机研发（来自PandaX合作组）

编辑：沈湫莎

责编：张鹏

来源：中国科学杂志社、中国青年网