我國科研團隊晉升全球暗物質追蹤第一獵手

7月21日晚，上海交通大學鴻文講席教授、中國錦屏地下實驗室 PandaX(熊貓計劃)實驗負責人季向東博士在英國舉行的兩年一度的國際暗物質大會上正式公布了PandaX二期500公斤級液氙暗物質探測器運行的第一個物理結果，在3.3萬公斤/天的曝光量下，未發現暗物質粒子蹤跡，對可能的暗物質候選對象得出了最新的限制。這一探測的靈敏度處于當前世界最高水平。7月22日下午，上海交通大學專門舉行新聞發布會，公布這一結果。

“昨天我們在大會上作報告的時候現場200多位科學家都很激動，PandaX團隊有一種像在奧運會上得了金牌的感覺!”身在英國的上海交通大學教授季向東通過視頻連線參與了發布會。該實驗團隊由季向東在2009年組建。

“最密的網”縮小了人類尋找暗物質的范圍

根據最新天文學和宇宙學的研究，暗物質代表了宇宙中約85%的物質含量，而人類已知的普通物質僅占約5%。由于與普通物質沒有直接電磁相互作用，所以暗物質不發光，無法用通常的辦法看到，因此得名暗物質。不過科學家們普遍認為，暗物質粒子與普通物質之間極有可能存在一種微弱的相互作用。物理學家便是使用這種“微弱的相互作用”所發出的信號來尋找暗物質。但由于作用太過微弱，探測工作異常困難。

為了應對這個難題，PandaX二期進行了目前全球最大的暗物質實驗——500公斤級液氙暗物質探測實驗，持續約100天的實驗整體液氙規模高達3.3萬公斤/天。負責實驗數據分析的上海交通大學特聘教授劉江來在發布會現場解釋，實驗規模“最大”的意義在于，暗物質有最大的機率“撞”上普通物質——液氙，而發出相互作用的信號，從而被探測到。

通俗來講，PandaX二期實驗相當于織了一張目前“最密的網”，試圖捕捉暗物質信號。具體而言，這張“網”的“細密程度”是σ=2.7x10-46 cm2 ,其精度是2015年最先進成果保持者美國LUX團隊的兩倍。

PandaX實驗用氙原子作為探測靶子，采取“守株待兔”的方式，探測彌散在地球周圍的成千上萬億的暗物質粒子可能碰撞到氙原子上而發生的微弱信號。而實驗記錄顯示，實驗過程中并沒有符合預期的信號產生，這個結果相當于，3.3萬公斤的氙原子在一天時間內沒有和這些暗物質粒子發生過一次碰撞，或者1公斤的氙原子在3.3萬天里沒有發生過一次碰撞。

這意味著，目前“最密的網”對于暗物質來說仍舊過于“稀疏”，這對可能的暗物質粒子的存在條件作出前所未有的理論限制， 縮小了人類尋找暗物質的范圍。

“在科研上，發現一條路和堵死一條路同樣重要。”中國科學院高能物理研究所研究員張新民總結說。

“最靈敏的網”能識別哪種信號源自暗物質

該探測實驗最困難的地方在于探測器中可能存在多種外來干擾，這些干擾也會產生光電信號，讓科學家誤以為捕捉到了暗物質信號。

為盡可能減少干擾，PandaX的實驗室建造于2400米深的山體下，由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司共同開發完成。

實驗過程中，任何物質與氙原子碰撞都會轉化為氙原子的反沖能，在探測器中發光、發電，而光和電信號“事件”被記錄下來便可進行數據分析，來確認與氙原子相撞的到底是不是暗物質。

PandaX500公斤級探測器靈敏到可以對一個光子或一個電子進行探測，由PandaX合作組自主研發，在上海交通大學實驗室建造。劉江來表示，這次數據分析挑戰性最高的地方在于利用一個全新的探測器對所有探測到的事件進行“模式識別”，用前所未有的精度來甄別暗物質信號和背景“噪聲”。

通俗地講，PandaX探測器捕捉光電信號事件類似于用“最靈敏的網”捕魚，如果把普通物質比做大鯰魚，那么暗物質可能就是小泥鰍。這張網可以在“捕魚”的過程中識別哪種“水花”(信號)是大鯰魚濺起的，哪種“水花”是小泥鰍濺起的，從而為精確地捕獲泥鰍提供保障。

在從2016年3月到6月底近100天的運行中，PandaX探測器捕獲了約3000萬次光電信號事件。而經過甄別，這3000萬朵“水花”中只有一起疑似是“小泥鰍”——暗物質引起的。但通過細致分析，這個信號事件并非源于暗物質。劉江來表示，能這樣很干凈地排除本底干擾顯示出PandaX探測器在暗物質探測方面巨大的優越性。

“孩子王”帶“孩子們”做追蹤暗物質領跑者

7月22日，在上海交大PandaX暗物質實驗結果發布會現場，劉江來度過了他40歲的生日，主辦方為他準備了生日蛋糕。劉江來激動地說：“我們就好像是孩子王，帶一群孩子們終于完成了這項實驗。學生們都非常優秀。”

PandaX暗物質實驗是由上海交通大學牽頭，國內多個合作單位包括北京大學、山東大學、中科院上海應用物理研究所、中山大學、中國科學技術大學、中國原子能科學研究院和位于四川的雅礱江流域水電開發有限公司等參與的首個大型液氙暗物質地下直接探測實驗。美國馬里蘭大學和密西根大學的科學家也參與其中。

提起這些“孩子”，劉江來堅持把他們的名字一一讀到。他還特別強調，團隊中最年輕的成員只有23歲。

由于暗物質研究國際競爭激烈，為了盡快完成3000萬次的數據分析，PandaX的“孩子王”和“孩子們”放棄了所有周末休息時間，每天花14小時以上分析和討論。

剛剛博士畢業于上海交通大學的肖夢蛟負責PandaX一期實驗的運行，2013年，他在地下2400米深的“洞”里連續工作了11個月，每天凌晨兩點睡，早上8點開始工作，“一周7天，天天如此”。

負責二期實驗運行的馬里蘭大學博士生談安迪在實驗“洞”里連續工作了300多天。他說：“經歷諸多挫折與內心的煎熬，最終攻克探測器研發與運行中遇到的各種問題，達到世界領先的靈敏度，心中是滿滿的幸福。”昨天，談安迪在英國舉行的國際暗物質大會上報告了實驗數據的分析過程。

身在英國的季向東表示，參加國際暗物質大會的科學家對PandaX實驗組的結果反應非常熱烈，紛紛表示祝賀。美國能源部主持暗物質項目的官員薩勒門博士表示，PandaX的結果令人震驚(stunning)。 國際XENON合作組成員、荷蘭國家實驗室的蒂森尼博士則說，這次會議的“明星”是PandaX實驗。

中國科學院高能物理研究所原所長陳和生表示，PandaX二期實驗的最新結果表明，中國深地暗物質探測實驗已經處于國際領先水平。

中國科學院院士、高能物理實驗學家趙政國說，中國的科學家在探索宇宙、探索自然的最尖端領域，在中國本土也可以所得國際領先的成就。