本報8月8日上海迅（記者黃辛）今天凌晨，上海交通大學(xué)鴻文講席教授，“熊貓計劃”（PandaX）項目負(fù)責(zé)人季向東博士在美國俄亥俄州哥倫布市舉辦的2017年度國際高能粒子天體物理大會（TeVPA 2017）上宣布了“熊貓計劃”項目合作組最新暗物質(zhì)探測實驗結(jié)果：該項目在高達(dá)54噸•天的國際最大曝光量下，得到了暗物質(zhì)與核子的碰撞截面小于6×10-47cm2的限制，再次刷新了對暗物質(zhì)粒子性質(zhì)限制的世界紀(jì)錄。這是“熊貓計劃”繼2016年7月發(fā)布580公斤級探測儀的首個探測結(jié)果后，第二次發(fā)布國際最靈敏暗物質(zhì)探測結(jié)果。在過去的一年里，通過對該探測儀進(jìn)一步降低噪音和長時間的運行，使對暗物質(zhì)和普通物質(zhì)相互作用的探測靈敏度提高了4倍多。TeVPA是每年一度的粒子天體物理領(lǐng)域的最重要國際會議之一，吸引世界主要相關(guān)實驗組和頂級學(xué)者參加。在哥倫布的會有350多位學(xué)者參加，季向東是大會主要邀請報告人之一。
暗物質(zhì)是宇宙中不參與“電磁”和“強”相互作用的全新未知物質(zhì)，是普通物質(zhì)的五倍多。揭開暗物質(zhì)微觀粒子本質(zhì)是二十一世紀(jì)物理與天文學(xué)最重要的科學(xué)目標(biāo)之一。根據(jù)目前的主流理論，暗物質(zhì)很可能是一種超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的“弱相互作用重粒子”，可以通過檢測它與普通物質(zhì)相互作用的信號進(jìn)行直接探測。上海交通大學(xué)主導(dǎo)的“熊貓計劃”使用液氙作為探測儀靶材料，在2014年完成120公斤級“熊貓一期”探測儀的基礎(chǔ)上，自主研制了580公斤的“二期”探測儀。后者是目前國際上最大的暗物質(zhì)直接探測儀器之一，自2015年11月起在四川涼山州地下2500米深的錦屏地下實驗室中運行。該實驗場所由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司共同開發(fā)，雅礱水電參與了“熊貓計劃”項目的建設(shè)。“熊貓計劃”二期合作組成員還包括了來自北京大學(xué)、山東大學(xué)和中科院應(yīng)用物理研究所等單位的科研人員。
據(jù)記者了解，暗物質(zhì)探測的國際競爭非常激烈，所有實驗合作組都期望率先發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的信號。已經(jīng)結(jié)束運行的美國LUX合作組在2017年1月正式發(fā)表250公斤級探測儀過去四年運行的最終數(shù)據(jù)，超過了“熊貓計劃”在2016年7月發(fā)表的世界最靈敏探測結(jié)果。位于意大利的XENON1T是目前世界上運行中最大的暗物質(zhì)探測儀，探測區(qū)域的液氙達(dá)兩噸。該實驗合作組于今年5月公布了首個結(jié)果，其靈敏度又超越了LUX。“熊貓計劃”二期探測儀的體量雖然不到XENON1T的三分之一，但憑借探測儀優(yōu)質(zhì)獨特的性能，經(jīng)過近半年的持續(xù)穩(wěn)定運行，合作組得到了超越XENON1T的最新探測結(jié)果，再次領(lǐng)跑暗物質(zhì)直接探測的靈敏度。
為了取得這樣領(lǐng)先的探測成果，“熊貓計劃”二期合作組在2017年初對探測儀進(jìn)行了重要的靈敏度升級工作，將實驗中的放射性“噪聲”降低至原來的三分之一。項目組成員放棄春節(jié)等節(jié)假日，爭分奪秒，長期堅守地下實驗室工作崗位，直到本階段數(shù)據(jù)采集于7月17日結(jié)束。為了盡快發(fā)布探測結(jié)果，上海交通大學(xué)的劉江來教授帶領(lǐng)多位研究人員夜以繼日完成數(shù)據(jù)的分析工作。
目前，“熊貓計劃”二期探測儀的靈敏度已經(jīng)深入到“弱相互作用重粒子”理論預(yù)言暗物質(zhì)粒子存在的參數(shù)空間，即暗物質(zhì)粒子質(zhì)量以及它們同普通物質(zhì)相互作用強度的可能區(qū)域。目前的實驗探測距離全面覆蓋參數(shù)空間的核心區(qū)域，還需要一到兩個數(shù)量級的靈敏度改善。國際上幾個主要的探測團(tuán)隊都努力在激烈競爭中取得優(yōu)勢地位。“熊貓計劃”二期探測儀需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上將體量升級，同時必須通過技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)一步降低本底噪聲，力爭領(lǐng)跑探測靈敏度，率先取得重大探測成果。
據(jù)介紹，“熊貓計劃”二期得到了科技部“十三五”重點研發(fā)專項、國家自然科學(xué)基金委重點項目、教育部科技司、上海市科委、上海交通大學(xué)、雅礱水電、香港鴻文基金會，以及中國錦屏地下實驗室的資助與支持。
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