暗物質越來越近！中國「熊貓計劃」發布國際最靈敏暗物質探測結果

神秘的暗物質，正離人類的探針越來越近！暗物質探測的國際競爭非常激烈，所有實驗合作組都期望率先發現暗物質粒子的信號。

而北京時間今天（8月8日）凌晨，美國俄亥俄州哥倫布市，「熊貓計劃」（PandaX）項目負責人、上海交通大學鴻文講席教授季向東博士，在 「2017年度國際高能粒子天體物理大會（TeVPA 2017）上宣布該項目合作組最新暗物質探測實驗結果。這是「熊貓計劃」繼2016年7月發布580公斤級探測儀的首個探測結果后，第二次發布國際最靈敏暗物質探測結果。

解放日報·上觀新聞記者獲悉，主導的這一項目在高達「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（6的10負47次方）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。在過去的一年裡，通過對該探測儀進一步降低噪音並堅持長時間運行，使其對暗物質和普通物質相互作用的探測靈敏度提高了4倍多。

暗物質是宇宙中不參與「電磁」和「強」相互作用的全新未知物質，其存在是已知普通物質的5倍多。揭開暗物質微觀粒子本質是21世紀物理與天文學最重要的科學目標之一。根據目前的主流理論，暗物質很可能是一種超出粒子物理標準模型的「弱相互作用重粒子」，可以通過檢測它與普通物質相互作用的信號進行直接探測。

上海交通大學牽頭的「熊貓計劃」使用液氙作為探測儀的靶材料，在2014年完成120公斤級「熊貓一期」探測儀的基礎上，自主研製了580公斤的「二期」探測儀。後者是目前國際上最大的暗物質直接探測儀器之一，自2015年11月起在四川涼山州地下約2500米深的錦屏地下實驗室中運行。該實驗場所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。此外，「熊貓計劃」二期合作組成員還包括了來自北京大學、山東大學和中科院應用物理研究所等單位的科研人員。

在國際暗物質探測競賽中，已經結束運行的美國LUX合作組在2017年1月正式發表250公斤級探測儀過去4年運行的最終數據，超過了「熊貓計劃」在2016年7月發表的世界最靈敏探測結果。而位於義大利的XENON1T探測器則已成為目前世界上運行中最大的暗物質探測儀，探測區域的液氙量達2噸。這一實驗合作組也於今年5月公布了首個結果，其靈敏度又再次超越了美國LUX。

解放日報·上觀新聞記者了解到，「熊貓計劃」二期探測儀的體量雖然不到歐洲XENON1T的三分之一，但憑藉探測儀優質獨特的性能，經過近半年的持續穩定運行，合作組得到了超越XENON1T的最新探測結果，再次領跑暗物質直接探測的靈敏度。

為了取得這樣領先的探測成果，「熊貓計劃」二期合作組在2017年初對探測儀進行了重要的靈敏度升級工作，將實驗中的放射性「雜訊」降低至原來的三分之一。項目組成員放棄春節等節假日，爭分奪秒，長期堅守地下實驗室工作崗位，直到本階段數據採集於7月17日結束。為了儘快發布探測結果，上海交通大學的劉江來教授帶領多位研究人員夜以繼日完成數據的分析工作。此次TeVPA2017大會是每年一度的粒子天體物理領域的最重要國際會議之一，吸引世界主要相關實驗組和頂級學者參加。在哥倫布的會議有350多位學者參加，季向東教授是大會主要邀請報告人之一。

目前，「熊貓計劃」二期探測儀的靈敏度已經深入到「弱相互作用重粒子」理論所預言的暗物質粒子存在的參數空間，即暗物質粒子質量以及它們與普通物質相互作用強度的可能區域。而實驗探測距離全面覆蓋這一參數空間的核心區域，還需要一到兩個數量級的靈敏度改善。

事實上，國際上幾個主要的探測團隊都努力在激烈競爭中取得優勢地位。季向東表示，「熊貓計劃」二期探測儀需要在現有基礎上將體量升級，同時必須通過技術創新進一步降低本底雜訊，力爭領跑探測靈敏度，率先取得重大探測成果。 「熊貓計劃」二期得到了科技部「十三五」重點研發專項、國家基金委重點項目、教育部科技司、上海市科委、上海交通大學、雅礱水電、香港鴻文基金會，以及錦屏地下實驗室的資助與支持。

題圖說明：國際高能粒子天體物理大會（TeVPA 2017）實驗報告頁面。