我国科研团队晋升全球暗物质追踪第一猎手

7月21日晚，上海交通大学鸿文讲席教授、中国锦屏地下实验室 PandaX(熊猫计划)实验负责人季向东博士在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上正式公布了PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果，在3.3万公斤/天的曝光量下，未发现暗物质粒子踪迹，对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。这一探测的灵敏度处于当前世界最高水平。7月22日下午，上海交通大学专门举行新闻发布会，公布这一结果。

“昨天我们在大会上作报告的时候现场200多位科学家都很激动，PandaX团队有一种像在奥运会上得了金牌的感觉!”身在英国的上海交通大学教授季向东通过视频连线参与了发布会。该实验团队由季向东在2009年组建。

“最密的网”缩小了人类寻找暗物质的范围

根据最新天文学和宇宙学的研究，暗物质代表了宇宙中约85%的物质含量，而人类已知的普通物质仅占约5%。由于与普通物质没有直接电磁相互作用，所以暗物质不发光，无法用通常的办法看到，因此得名暗物质。不过科学家们普遍认为，暗物质粒子与普通物质之间极有可能存在一种微弱的相互作用。物理学家便是使用这种“微弱的相互作用”所发出的信号来寻找暗物质。但由于作用太过微弱，探测工作异常困难。

为了应对这个难题，PandaX二期进行了目前全球最大的暗物质实验——500公斤级液氙暗物质探测实验，持续约100天的实验整体液氙规模高达3.3万公斤/天。负责实验数据分析的上海交通大学特聘教授刘江来在发布会现场解释，实验规模“最大”的意义在于，暗物质有最大的机率“撞”上普通物质——液氙，而发出相互作用的信号，从而被探测到。

通俗来讲，PandaX二期实验相当于织了一张目前“最密的网”，试图捕捉暗物质信号。具体而言，这张“网”的“细密程度”是σ=2.7x10-46 cm2 ,其精度是2015年最先进成果保持者美国LUX团队的两倍。

PandaX实验用氙原子作为探测靶子，采取“守株待兔”的方式，探测弥散在地球周围的成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子上而发生的微弱信号。而实验记录显示，实验过程中并没有符合预期的信号产生，这个结果相当于，3.3万公斤的氙原子在一天时间内没有和这些暗物质粒子发生过一次碰撞，或者1公斤的氙原子在3.3万天里没有发生过一次碰撞。

这意味着，目前“最密的网”对于暗物质来说仍旧过于“稀疏”，这对可能的暗物质粒子的存在条件作出前所未有的理论限制， 缩小了人类寻找暗物质的范围。

“在科研上，发现一条路和堵死一条路同样重要。”中国科学院高能物理研究所研究员张新民总结说。

“最灵敏的网”能识别哪种信号源自暗物质

该探测实验最困难的地方在于探测器中可能存在多种外来干扰，这些干扰也会产生光电信号，让科学家误以为捕捉到了暗物质信号。

为尽可能减少干扰，PandaX的实验室建造于2400米深的山体下，由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同开发完成。

实验过程中，任何物质与氙原子碰撞都会转化为氙原子的反冲能，在探测器中发光、发电，而光和电信号“事件”被记录下来便可进行数据分析，来确认与氙原子相撞的到底是不是暗物质。

PandaX500公斤级探测器灵敏到可以对一个光子或一个电子进行探测，由PandaX合作组自主研发，在上海交通大学实验室建造。刘江来表示，这次数据分析挑战性最高的地方在于利用一个全新的探测器对所有探测到的事件进行“模式识别”，用前所未有的精度来甄别暗物质信号和背景“噪声”。

通俗地讲，PandaX探测器捕捉光电信号事件类似于用“最灵敏的网”捕鱼，如果把普通物质比做大鲶鱼，那么暗物质可能就是小泥鳅。这张网可以在“捕鱼”的过程中识别哪种“水花”(信号)是大鲶鱼溅起的，哪种“水花”是小泥鳅溅起的，从而为精确地捕获泥鳅提供保障。

在从2016年3月到6月底近100天的运行中，PandaX探测器捕获了约3000万次光电信号事件。而经过甄别，这3000万朵“水花”中只有一起疑似是“小泥鳅”——暗物质引起的。但通过细致分析，这个信号事件并非源于暗物质。刘江来表示，能这样很干净地排除本底干扰显示出PandaX探测器在暗物质探测方面巨大的优越性。

“孩子王”带“孩子们”做追踪暗物质领跑者

7月22日，在上海交大PandaX暗物质实验结果发布会现场，刘江来度过了他40岁的生日，主办方为他准备了生日蛋糕。刘江来激动地说：“我们就好像是孩子王，带一群孩子们终于完成了这项实验。学生们都非常优秀。”

PandaX暗物质实验是由上海交通大学牵头，国内多个合作单位包括北京大学、山东大学、中科院上海应用物理研究所、中山大学、中国科学技术大学、中国原子能科学研究院和位于四川的雅砻江流域水电开发有限公司等参与的首个大型液氙暗物质地下直接探测实验。美国马里兰大学和密西根大学的科学家也参与其中。

提起这些“孩子”，刘江来坚持把他们的名字一一读到。他还特别强调，团队中最年轻的成员只有23岁。

由于暗物质研究国际竞争激烈，为了尽快完成3000万次的数据分析，PandaX的“孩子王”和“孩子们”放弃了所有周末休息时间，每天花14小时以上分析和讨论。

刚刚博士毕业于上海交通大学的肖梦蛟负责PandaX一期实验的运行，2013年，他在地下2400米深的“洞”里连续工作了11个月，每天凌晨两点睡，早上8点开始工作，“一周7天，天天如此”。

负责二期实验运行的马里兰大学博士生谈安迪在实验“洞”里连续工作了300多天。他说：“经历诸多挫折与内心的煎熬，最终攻克探测器研发与运行中遇到的各种问题，达到世界领先的灵敏度，心中是满满的幸福。”昨天，谈安迪在英国举行的国际暗物质大会上报告了实验数据的分析过程。

身在英国的季向东表示，参加国际暗物质大会的科学家对PandaX实验组的结果反应非常热烈，纷纷表示祝贺。美国能源部主持暗物质项目的官员萨勒门博士表示，PandaX的结果令人震惊(stunning)。 国际XENON合作组成员、荷兰国家实验室的蒂森尼博士则说，这次会议的“明星”是PandaX实验。

中国科学院高能物理研究所原所长陈和生表示，PandaX二期实验的最新结果表明，中国深地暗物质探测实验已经处于国际领先水平。

中国科学院院士、高能物理实验学家赵政国说，中国的科学家在探索宇宙、探索自然的最尖端领域，在中国本土也可以所得国际领先的成就。