上海交大公布世界最大暗物质实验首个结果

澎湃新闻记者 吴洁瑾 实习生 余璐

2016-07-22 19:01 来源:澎湃新闻

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7月22日,上海交通大学在沪公布了PandaX(熊猫计划)暗物质实验二期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·天的曝光量下,未发现暗物质粒子踪迹,对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。这一探测的灵敏度处于当前世界最高水平。这也意味着随着灵敏度的提升,中国人有望率先找到理论预言的暗物质粒子。
暗物质代表宇宙中约85%的物质含量
如果把21世纪现代物理学和天文学比作“晴朗天空”,暗物质和暗能量则被看作“两朵乌云”,两者难以用现有理论解释。负责实验数据分析的上海交通大学特聘教授刘江来表示,根据最新天文学和宇宙学的研究,暗物质代表了宇宙中约85%的物质含量,而人们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。但是,由于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。
科学家们普遍认为,暗物质粒子与普通物质之间极有可能存在一种微弱的相互作用。这个作用能使物理学家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,这使探测起来异常困难。
北京时间2016年7月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•天的曝光量下,未发现暗物质粒子踪迹,对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。这一探测的灵敏度处于当前世界最高水平。
中国人或率先探测到暗物质粒子
PandaX 暗物质实验是由上海交通大学牵头,国内多个合作单位包括北京大学、山东大学、中科院上海应用物理研究所等参与的首个大型液氙暗物质地下直接探测实验。实验室就建在全球最深的暗物质探测实验室——中国锦屏地下实验室,地处四川南部地底深处,在17公里隧道的中央,在那里,这批中国科学家正寻找目前还是理论存在的暗物质,希望觅得被科学界称为“宇宙幽灵”的蛛丝马迹。
据刘江来介绍,PandaX实验用氙原子作为探测靶子,采取“守株待兔”的方式,探测弥散在地球周围的成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子上而发生的微弱信号。碰撞会转化为氙原子的反冲能,在探测器中发光、发电。光和电信号都可以通过灵敏的光电管作为“事件”记录下来。
PandaX实验首次采用了110个新型三英吋的光电倍增管来进行记录。最新结果相当于3.3万公斤的氙原子在一天时间内没有和这些暗物质粒子发生过一次碰撞,或者一公斤的氙原子在3.3万天里没有发生过一次碰撞。这对可能的暗物质粒子作出前所未有的实验限制。而这些限制使暗物质粒子的“性质”越来越明确,这对暗物质理论研究提供了非常重要的信息。
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”。由于国际竞争的紧迫性,在PandaX的分析团队放弃了所有周末休息时间,每天花十四小时以上分析和讨论,在极短时间内完成了数据分析工作。
PandaX 所用的500公斤级探测器是PandaX合作组自主研发的,在上海交通大学实验室里建造,可以对一个光子或一个电子进行灵敏探测。这是全世界运行中最大的暗物质探测器,灵敏度也最高。在该首个100天的运行后,PandaX合作组正继续采集数据进行更高灵敏度的探测,将在今后一个时期内领先世界探测水平。
“我们就像在织一张网,网越织越小,但在那么细的,只有2.7X10-46平方厘米的网眼中,我们依然没有探测到暗物质粒子,这就为暗物质探测设置了最新下限,这个精细度比我们上一次结果缩小了10倍,比2015年国际上的最新探测成果缩小了2倍。”刘江来说。他认为,此举也为会为全世界理论物理学家下一步探测暗物质指明方向。而随着探测灵敏度的提升,网越织越小,也意味着中国人有望率先找到理论预言的暗物质粒子。
暗物质探测实验已处国际领先水平
刘江来说,PandaX实验所在的四川锦屏山是个人迹罕至的地方,参与实验工作的生活条件比较艰苦。PandaX合作组成员从2012年起有多位成员常年在该实验室工作,包括春节和其它节假日。
负责二期实验运行的博士生谈安迪在锦屏连续工作三百多天,他表示,“经历诸多挫折与内心的煎熬,最终攻克探测器研发与运行中遇到的各种问题,达到世界领先的灵敏度,心中是满满的幸福。对于一个科研工作者来说,还有什么比像这样站在人类对自然认知的边缘再往外迈出一小步来的令人振奋。”
中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所原所长、科技部十三五重大项目组组长陈和生表示,PandaX二期实验的最新结果表明,中国深地暗物质探测实验已经处于国际领先水平。
中国科学院院士、中国科技大学教授、著名高能物理实验学家赵政国也认为,PandaX二期暗物质实验是国际当前运行中最大规模的实验。该成果表明中国的科学家在探索宇宙、探索自然的最尖端领域,在中国本土也可以做出国际领先的成就。
本文图片来自上海交通大学
责任编辑:陈诗怀澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 暗物质

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