上海交大公佈中國錦屏地下暗物質實驗首個結果

中國錦屏地下實驗室液氙暗物質探測器
上海交通大學鴻文講席教授、中國錦屏地下實驗室熊貓計劃(PandaX)實驗負責人季向東博士前日(7月21日)在英國舉行的的國際暗物質大會上正式公佈計劃第二期五百公斤級液氙暗物質探測器運行的第一批物理結果,並未發現暗物質粒子踪跡,對可能的暗物質候選對象得還有新的限制。

熊貓計劃暗物質實驗是由上海交通大學、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參與的首個大型液氙暗物質地下直接探測實驗。美國馬里蘭大學和密西根大學的科學家也參加了這個實驗。實驗室建在由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司開發的錦屏深地實驗室之中。

根據最新天文學和宇宙學的研究,暗物質代表了宇宙中約八成半的物質含量。但是,由於與普通物質沒有直接電磁相互作用,所以暗物質不發光,無法用通常的辦法看到。

科學家普遍認為,暗物質粒子與普通物質之間極有可能存在一種微弱的相互作用。這個作用能使物理學家通過衛星上的探測器,例如中國最近發射的「悟空」衛星,或是發現上帝粒子的歐洲核子中心大強子對撞機,或者是深入地下的暗物質探測器來尋找暗物質。但這個作用太過微弱,暗物質粒子可以輕鬆穿過地球,令到探測異常困難。

熊貓計劃實驗用氙原子作為探測靶子,採取守株待兔的方式,探測彌散在地球周圍的成千上萬的暗物質粒子可能碰撞到氙原子上而發生的微弱訊號。碰撞會轉化為氙原子的反沖能,在探測器中​​發光、發電。光和電訊號都可以通過靈敏的光電管作為事件記錄下來。 熊貓計劃實驗首次採用了一百一十個新型75毫米的光電倍增管來進行記錄。最新結果相當於三萬三千公斤的氙原子在一天時間內沒有和這些暗物質粒子發生過一次碰撞,或者一公斤的氙原子在三萬三千天裡沒有發生過一次碰撞。這對可能的暗物質粒子作出前所未有的實驗限制。而這些限制使暗物質粒子的性質越來越明確,這對暗物質理論研究提供了非常重要的訊,息。事實上,過去的暗物質探測結果已經排除了多種暗物質理論,而最流行的超對稱暗物質理論也已受到越來越強的約束。

這種探測實驗最困難的地方是探測器中可能存在多種外來干擾,這些干擾也會產生光電訊號。即使把實驗室建在二千四百米深的山體下,用上百噸的高純材料把探測器層層包圍起來(這些對暗物質探測毫無影響),在從2016年3月到6月底近一百天的運行中,熊貓計劃探測器記錄了約三千萬次的事件。這些事件可以高效地通過計算機數據處理的辦法,進行甄別,一一排除。最後剩下的可疑事件只有一個,該事件發生在北京時間2016年6月11號3點3分6秒。通過細緻分析,這個事件來源於探測材料的放射性,而不是暗物質。能這樣很乾淨地排除本底干擾顯示出熊貓計劃探測器在暗物質探測方面巨大的優越性。

負責實驗數據分析的上海交通大學特聘教授劉江來表示,這次數據分析挑戰性最高的地方在於利用一個全新的探測器對所有探測到的事件進行模式識別,用前所未有的精度來甄別暗物質訊號和背景噪聲。由於國際競爭的緊迫性,分析團隊放棄了所有周末休息時間,每天花十四小時以上分析和討論,在極短時間內完成了數據分析工作。

【圖、文:節錄自上海交通大學網頁;新聞訊息由林景明提供】

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