“熊貓計劃”發布迄今最靈敏暗物質探測結果

在“你追我趕”的暗物質探測國際競爭中，中國主導的“熊貓計劃（PandaX）”再下一城。

8日凌晨，“熊貓計劃”（Particle AND Astrophysical Xenon Detector，粒子和天體物理氙探測器，英文簡寫為PandaX）項目負責人、上海交通大學鴻文講席教授季向東在“2017年度國際高能粒子天體物理大會（TeVPA 2017）”上公布了該項目合作組最新暗物質探測實驗結果——在“54噸·天”的國際最大曝光量下，得到了暗物質與核子的碰撞截面應小於“6×10-47平方厘米”限制，再次刷新了對暗物質粒子性質限制的世界紀錄。

暗物質這個東西，悄無聲息，且難留痕跡。它不發射任何波段的電磁波，也不與任何電磁波發生相互作用。可它不容忽視——迄今的研究和分析表明，暗物質佔宇宙物質總質量約80％以上。

怎麼找到它？“熊貓計劃”的方法，是把氙原子作為靶子——來，撞吧！暗物質粒子如果碰撞到氙原子，這種碰撞會轉化為氙原子的反沖能，發出光電信號，從而被探測器捕捉。

季向東曾用“守株待兔”來打比方。暗物質粒子仿佛成群結隊跑來的兔子，氙原子好比森林中一棵棵樹。難免有一兩隻兔子會撞死在某棵樹下，成為科學家的戰利品。

問題的關鍵在於，大森林裡不隻有兔子，還有雄獅猛虎，誰撞上來的動靜都比兔子大。所以，要找一片沒有或少有其他生物出沒的森林。這裡就是中國錦屏地下實驗室。它在錦屏山內，2400米山體成了它的天然屏障，實驗室內的宇宙射線通量可以降到地面水平的千萬分之一到億分之一。

另外，樹木間距還得小，樹排得越密越好。

但要密到什麼程度呢？“我們用了一個面積的概念來體現兩種粒子之間的碰撞幾率。”負責實驗數據分析的上海交通大學教授劉江來告訴科技日報記者。“6×10-47平方厘米”，這意味著碰撞概率非常非常低。至少，在54噸·天的曝光量下，“熊貓計劃”所採用的580公斤液氙探測器並沒有探測到一例暗物質粒子碰撞事件。“我們給出了碰撞幾率的上限。”劉江來說。

“沒看到”，同樣有意義。它為暗物質粒子性質做出了更加嚴格的限制。下一步要做的，就是繼續提高探測靈敏度。

有兩個努力的方向：一是提升探測器體量，二是盡可能降低噪聲。劉江來透露，他們正在緊鑼密鼓籌備下一代探測器，目前使用的580公斤級液氙暗物質探測器將升級到4噸。“新探測器的各個組件正在建造，接下來是總裝、聯調和測試。我們希望，能在2018年終止580公斤級液氙探測器的運行，全力開展升級版探測器的實驗，並爭取在2019年獲得新探測器的第一批數據。”劉江來說。

要爭分奪秒搶佔先機，是因為暗物質是基礎物理最為重要的謎團之一。國際上的數個合作小組，都在為“捉”住暗物質而努力。“如果我們率先找到暗物質，對整個科學界來說，都會是極其重要的發現。”和所有基礎研究一樣，在讓暗物質現身的過程中，相關的工程技術也能得到發展。“我們是在跟世界上最強、最有創新力的科研團隊競爭，這對我國相關領域的人才儲備和培養，同樣具有推動作用。”劉江來說。

背景鏈接 錦屏地下實驗室由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司共同開發，雅礱水電也參與了“熊貓計劃”項目建設。

“熊貓計劃”由上海交通大學主導，此次公布的數據是“熊貓計劃”二期的實驗結果，該計劃二期合作組成員還包括來自北京大學、山東大學和中科院應用物理研究所等單位的科研人員。（記者 張蓋倫）