中国暗物质探测“熊猫计划”首发实验数据 挑战宇宙起源理

送交者: 力挽狂澜 2014年09月04日00:59:35 于 [军事天地] 发送悄悄话

昨天（24日），中国主导的大型暗物质探测"熊猫计划"（PandaX）在上海交通大学首次发布实验数据，对以往国际上发现的疑似轻质量暗物质信号提出强烈质疑。暗物质是理论物理学界几十年来的一个核心假设，是科学家破解宇宙诞生之谜的重要努力，但由于探测进展不大，近年来科学界对这一理论多有怀疑。暗物质探测难度极大，要求完全屏蔽地球磁场。中国的"熊猫计划"是在2400米深的世界最深地下实验室进行，因此实验结果具有相当的权威性。 　　                                  登录/注册后可看大图 　　现代物理学认为宇宙起源于一次大爆炸，而暗物质的存在是这一假设的重要前提 　　熊猫计划首发实验数据 　　以中国科学家为主导的大型暗物质探测实验组PandaX（熊猫计划）对暗物质的理解和探测实现新突破。24日，PandaX合作组发布了实验组使用120公斤级液氙探测器所获得的首批数据，数据对以往实验中轻质量暗物质疑似信号提出了强烈质疑。相关研究成果已在高能物理文献网上发布，研究论文即将在中国科学：物理学力学天文学（英文版）杂志发表。 　　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，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，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他实验所发现的轻质量暗物质疑似信号不兼容。 　　PandaX（熊猫计划）是"粒子和天体物理氙探测器"（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）的英文简写，是我国开展的首个百公斤级大型暗物质实验。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；由上海交通大学牵头，包括山东大学、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的40多位研究人员参与。 　　专家认为，PandaX作为中国开展的首个百公斤级大型暗物质实验，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。 　　中科院院士、中科院国家天文台研究员武向平表示，尽管此次实验结果是"零"，但其"是物理学和天文学融合的重要成果"，重要性毋庸置疑。 　　本世纪以来，国际上相继开展了20多个暗物质探测实验。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，引起广泛关注。 　　PandaX合作组负责人、上海交通大学物理与天文系教授季向东介绍，PandaX旨在利用在空气中提纯的惰性元素氙（Xe）作为探测媒介寻找暗物质。PandaX合作组首期实验中，科学家用约120公斤的液态氙作为靶点子来探测，目标是检验其他实验发现的轻质量暗物质疑似事例。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。 　　                                  登录/注册后可看大图 　　位于四川攀枝花的世界最深地下实验室 　　什么是暗物质 　　暗物质与暗能量被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，是科学家为了完善大爆炸理论和广义相对论而提出的一种假设。 　　如今广为人知的大爆炸理论对宇宙起源的解释是不完善的。宇宙学家发现，当我们把宇宙的膨胀速度，跟所有能够观测到的星系、尘埃、辐射等等物质的总质量放进广义相对论方程里比较，会发现宇宙的总质量应该远远大于已知物质的总质量。物理学家曾经在计算机中模拟一团原始物质在引力和宇宙膨胀的共同作用下，逐渐聚集成星系的过程。如果假设宇宙中不存在额外的物质，那么模拟结果就和实际的观测对不上。如果假设存在一种大质量的粒子，只参与弱相互作用和引力，不参与其它相互作用的话，模拟结果就比较理想了。 　　这些现象迫使天文学家和物理学家提出，宇宙中存在一种"暗物质"。主流观点认为，暗物质是一种大质量、弱相互作用粒子，简称为WIMP。这种粒子不是某类具体的粒子，而是一个总称。满足这个要求的候选粒子不止一种。 　　它们代表了宇宙中96%的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的4%左右。科学家认为，暗物质不具有电磁辐射，无法用电磁波直接观测得到，但它却具有质量，能干扰已知物质发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。 　　将继续探测重质量暗物质 　　季向东表示，探测暗物质的主要困难是屏蔽地球上无处不在的放射性。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。该实验利用极深的山洞上方2400米厚的岩石覆盖阻挡宇宙线干扰。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则利用蒸馏的方法将浓度降至低于百亿分之一。此外，探测器和屏蔽体所用材料也预先经过检测，确保其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，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光电倍增管阵列探测到，用以判别碰撞所发生的空间位置。最终，利用这两个信号的相对大小便能区分来自暗物质或其他放射性所产生的事件。 　　今年5月份开始获取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。经分析，这46个事例全部来自于放射性本底，没有任何暗物质痕迹。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质疑。 　　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。中科院理论物理研究所研究员周宇峰认为，由于独到的扁平状探测器设计，PandaX实验可以达到比同类实验室更高的光采集效率和更低的探测器阈能。据悉，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是美国的250公斤级LUX探测器。 　　中科院院士、上海交通大学校长张杰表示，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项目于2010年正式在中国启动。2012年7月，合作组完成了制冷设备、杜瓦系统内外罐、首期探测器的建造和初步调试，所需屏蔽体在锦屏地下实验室搭建完成。实验设备于2012年8月运抵四川锦屏山。从2012年至2014年初，实验组完成实验系统的安装和调试及试运行。

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