——实验结果对以往国际上发现的疑似轻质量暗物质信号提出质疑

以中国科学家为主导的大型暗物质探测实验组PandaX在上海交通大学发布了实验组使用120公斤级液氙探测器所获得的首批数据. 该研究成果的正式论文已被Science China Physics, Mechanics & Astronomy (《中国科学: 物理学力学天文学》英文版) 杂志接收发表.  PandaX 是中国开展的首个百公斤级大型暗物质实验, 它的运行结果标志着中国在暗物质探测这个前沿科学领域跨进世界先进行列.

PandaX 合作组宣布, 经过自今年5月开始的一个多月时间的运行, 证实该实验组设计和研制的120公斤级液氙探测器的灵敏度已经达到世界先进水平, 因而能够对至今为止所有疑似暗物质探测实验所获得的数据信号进行高精度的验证.但是, PandaX合作组至今的探测尚未发现任何暗物质的事例, 这个测量结果和一些其它实验所发现的轻质量暗物质疑似信号不兼容. 本世纪以来, 国际上相继开展了二十多个暗物质探测实验, 利用暗物质和探测器的直接碰撞来寻找暗物质. 特别是近几年来, 意大利DAMA/LIBRA实验, 美国CoGeNT和CDMS两个实验, 以及德国CRESST 实验先后宣称发现了疑似轻质量暗物质的信号. 这些信号引起了科学界和公众的强烈兴趣.

PandaX(熊猫计划)是“粒子和天体物理氙探测器”(Particle ANDAstrophysical Xenon Detector)的英文简写. 该实验利用在空气中提纯的惰性元素氙(Xe)作为探测媒介来寻找暗物质. 该实验由上海交通大学牵头组织领导、包括中国和美国的六家研究机构和大学(山东大学、中科院上海应用物理研究所、北京大学、雅砻江流域水电开发有限公司、美国马里兰大学和美国密西根大学), 共40多位研究人员参与.

物理和天文学家通过大量的天文观测推断出宇宙中有大约27％的成分由一种有质量却与普通物质没有电磁和强相互作用的暗物质组成. 在银河系里, 暗物质比熟知的普通物质多了20倍以上. 地球以及太阳系在这个银河系中的暗物质“雾霾”里运动. 暗物质可以在普通物质比如地球中穿梭来往, 几无阻拦. 然而, 在“希格斯”粒子发现以后已经完备的粒子物理标准模型中却无法找到暗物质的解释. 暗物质的本性之谜被普遍认为是21世纪物理和天文学中最具有挑战性的问题之一.

PandaX 合作组首期实验用约120公斤的液态氙作为靶点子来探测, 其主要目标是检验其他实验发现的轻质量暗物质疑似事例. 这个探测规模仅次于世界上最大的、位于美国南达科他州地下矿井中的一个同类实验LUX. 为了躲避宇宙射线的干扰, PandaX实验在世界最深的四川锦屏地下实验室进行. 这个实验场所在2010年由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司联合开发. 该地下实验室, 进行的另外一个暗物质探测实验, 是由清华大学牵头的暗物质探测实验组CDEX, 利用低阈能的锗探测器进行轻质量暗物质探测. CDEX也在今年发布了探测结果, 对CoGeNT所探测到的疑似信号提出质疑.

这类实验的主要困难是地球上无处不在的放射性. 宇宙线的干扰可以用极深的山洞上方的岩石覆盖来阻挡. 在PandaX实验里, 山洞岩石的放射性由一个100吨的聚乙烯、铅及高纯铜组成的屏蔽体来屏蔽. 液氙内部的放射性元素氪被蒸馏的办法降低了到低于百亿分之一的浓度. 此外, 探测器和屏蔽体所用的材料和光电倍增管, 都预先经过了放射检测站的检测和预选, 以确保它们本身的放射性强度不会给实验探测造成显著的本底干扰.

PandaX项目采用了先进的“二相型氙”技术, 来捕捉暗物质粒子与氙原子核发生弹性碰撞而产生的微弱信号. 当氙原子受到暗物质粒子的碰撞时会得到一定的能量, 在液氙中反冲产生光信号和电离电子. 电子在强电场作用下向气态氙漂移, 冲进气体产生二次发光信号. 这两个信号都能够被探测器顶部和底部的“摄像机”——光电倍增管阵列——探测到, 从而可以用来判别碰撞所发生的空间位置；而利用这两个信号的相对大小就可以区分来自暗物质或其它放射性所产生的事件.

即使通过各种办法来减少本底, 在今年5月份开始的暗物质探测数据中, PandaX探测器记录了大约400万个事例, 在暗物质可能产生的能区中有大约1万个事例, 而在探测器最“安静”的中心——37公斤液氙中只有46个事例. 通过和放射源的定标比较, 这最后的46个事例全部来自于放射性本底, 没有任何暗物质留下的痕迹. PandaX此次结果结合了低阈能和大曝光量两个优势, 对以往实验中所有发现的疑似信号提出了强烈的质疑.

PandaX项目于2010年正式在中国开始. 2012年7月, 合作组在上海交通大学完成了制冷设备、杜瓦系统内外罐、首期探测器的建造和初步调试. 同时, 实验需要的屏蔽体也在锦屏地下实验室搭建完成. 实验设备在2012年8月16日运抵四川锦屏山. 从2012年至2014年初, 实验组在锦屏山对整个实验系统进行了安装和调试, 完成了两次试运行, 成功测试了制冷系统、电子学系统及数据采集系统, 并完成了对“二相型氙技术”的验证, 对探测系统进行了定标和测试, 得到了能够检测以往实验发现到疑似轻质量暗物质信号所需要的低阈能.

PandaX 能在如此短的探测时间内得出具有国际影响力的结果, 关键在于使用了近十年来发展最迅速的液氙探测技术. 欧洲和美国在这个技术上正在加大投入. 目前, 世界上运行中最大的该类型探测器来是美国的250公斤级LUX探测器. 在首次排除了较轻的疑似暗物质信号以后, PandaX将继续以更高的灵敏度寻找相互作用更微弱的轻质量暗物质. 同时, 正在建造一个500公斤级的探测器, 寻找理论家所预言的、更有可能是较重质量的一类暗物质粒子.

PandaX一期建设与实验探测获得了上海交通大学985专项、国家科技部973项目、国家基金委主任基金项目, 以及上海市科委重点实验室建设项目的资助, 此外, 也获得来自于山东大学、北京大学的经费资助.

更多详情请读原文：

Xiao M J, Xiao X, Zhao L, et al. First  dark  matter  search  results  from  the  PandaX-I experiment. Sci China-Phys Mech Astron, 2014, 57: 2024–2030, doi: 10.1007/s11433-014-5598-7