中国“熊猫计划”项目组发布对暗物质粒子性质测量的最强限制[图]

北京时间8月8日凌晨，上海交通大学鸿文讲席教授，“熊猫计划”（PandaX）项目负责人季向东博士在美国俄亥俄州哥伦布市举办的2017年度国际高能粒子天体物理大会（TeVPA 2017）上宣布了“熊猫计划”项目合作组最新暗物质探测实验结果：该项目在高达54吨•天的国际最大曝光量下，得到了暗物质与核子的碰撞截面小于6×10 ^-47 cm ² 的限制，再次刷新了对暗物质粒子性质限制的世界纪录。这是“熊猫计划”继2016年7月发布580公斤级探测仪的首个探测结果后，第二次发布国际最灵敏暗物质探测结果。在过去的一年里，通过对该探测仪进一步降低噪音和长时间的运行，使对暗物质和普通物质相互作用的探测灵敏度提高了4倍多。TeVPA是每年一度的粒子天体物理领域的最重要国际会议之一，吸引世界主要相关实验组和顶级学者参加。在哥伦布的会有350多位学者参加，季向东是大会主要邀请报告人之一。

暗物质是宇宙中不参与“电磁”和“强”相互作用的全新未知物质，是普通物质的五倍多。揭开暗物质微观粒子本质是二十一世纪物理与天文学最重要的科学目标之一。根据目前的主流理论，暗物质很可能是一种超出粒子物理标准模型的“弱相互作用重粒子”，可以通过检测它与普通物质相互作用的信号进行直接探测。上海交通大学主导的“熊猫计划”使用液氙作为探测仪靶材料，在2014年完成120公斤级“熊猫一期”探测仪的基础上，自主研制了580公斤的“二期”探测仪。后者是目前国际上最大的暗物质直接探测仪器之一，自2015年11月起在四川凉山州地下2500米深的锦屏地下实验室中运行。该实验场所由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同开发，雅砻水电参与了“熊猫计划”项目的建设。“熊猫计划”二期合作组成员还包括了来自北京大学、山东大学和中科院应用物理研究所等单位的科研人员。      

暗物质探测的国际竞争非常激烈，所有实验合作组都期望率先发现暗物质粒子的信号。已经结束运行的美国LUX合作组在2017年1月正式发表250公斤级探测仪过去四年运行的最终数据，超过了“熊猫计划”在2016年7月发表的世界最灵敏探测结果。位于意大利的XENON1T是目前世界上运行中最大的暗物质探测仪，探测区域的液氙达两吨。该实验合作组于今年5月公布了首个结果，其灵敏度又超越了LUX。“熊猫计划”二期探测仪的体量虽然不到XENON1T的三分之一，但凭借探测仪优质独特的性能，经过近半年的持续稳定运行，合作组得到了超越XENON1T的最新探测结果，再次领跑暗物质直接探测的灵敏度。      

为了取得这样领先的探测成果，“熊猫计划”二期合作组在2017年初对探测仪进行了重要的灵敏度升级工作，将实验中的放射性“噪声”降低至原来的三分之一。项目组成员放弃春节等节假日，争分夺秒，长期坚守地下实验室工作岗位，直到本阶段数据采集于7月17日结束。为了尽快发布探测结果，上海交通大学的刘江来教授带领多位研究人员夜以继日完成数据的分析工作。      

目前，“熊猫计划”二期探测仪的灵敏度已经深入到“弱相互作用重粒子”理论预言暗物质粒子存在的参数空间，即暗物质粒子质量以及它们同普通物质相互作用强度的可能区域。目前的实验探测距离全面覆盖参数空间的核心区域，还需要一到两个数量级的灵敏度改善。国际上几个主要的探测团队都努力在激烈竞争中取得优势地位。“熊猫计划”二期探测仪需要在现有基础上将体量升级，同时必须通过技术创新进一步降低本底噪声，力争领跑探测灵敏度，率先取得重大探测成果。      

“熊猫计划”二期得到了科技部“十三五”重点研发专项、国家基金委重点项目、教育部科技司、上海市科委、上海交通大学、雅砻水电、香港鸿文基金会，以及中国锦屏地下实验室的资助与支持。