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拭目以待：四吨“熊猫”能否捕获暗物质粒子？

已有 3311 次阅读 2018-12-17 15:22 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:博客资讯

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。

缺失的宇宙：暗物质

大量宇宙天文观测表明，宇宙中有大量的不可见的物质，占宇宙物质组成中的85%，我们称其为暗物质（Dark Matter），我们所处的银河系就被包围在一团巨大的“暗物质晕”中。暗物质的物理属性还是一个未解之谜，亟待从科学实验上来确认，而答案很可能在物理学与天文学上孕育出新的重大发现。因此，暗物质被科学家比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”。

（图片来自网络）

“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（动画）。

“熊猫”四吨级液氙实验探测过程，来自宇宙中的暗物质粒子入射和探测器中液氙原子碰撞产生的两次发光信号（来自PandaX合作组）

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。“熊猫”四吨级液氙实验利用四吨的液态氙作为探测物质，达到世界上前所未有的探测体量，大幅度提高可能的暗物质碰撞事例率和探测效率，从而高灵敏的探测暗物质粒子。

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。