中國暗物質探測「熊貓計劃」首發實驗數據 挑戰宇宙起源理論

昨天（24日），中國主導的大型暗物質探測「熊貓計劃」（PandaX）在上海交通大學首次發布實驗數據，對以往國際上發現的疑似輕質量暗物質信號提出強烈質疑。暗物質是理論物理學界幾十年來的一個核心假設，是科學家破解宇宙誕生之謎的重要努力，但由於探測進展不大，近年來科學界對這一理論多有懷疑。暗物質探測難度極大，要求完全屏蔽地球磁場。中國的「熊貓計劃」是在2400米深的世界最深地下實驗室進行，因此實驗結果具有相當的權威性。

現代物理學認為宇宙起源於一次大爆炸，而暗物質的存在是這一假設的重要前提

熊貓計劃首發實驗數據

以中國科學家為主導的大型暗物質探測實驗組PandaX（熊貓計劃）對暗物質的理解和探測實現新突破。24日，PandaX合作組發布了實驗組使用120公斤級液氙探測器所獲得的首批數據，數據對以往實驗中輕質量暗物質疑似信號提出了強烈質疑。相關研究成果已在高能物理文獻網上發布，研究論文即將在《中國科學：物理學力學天文學》（英文版）雜誌發表。

PandaX合作組宣布，經過自今年5月開始的一個多月時間的運行，實驗組設計和研製的120公斤級液氙探測器的靈敏度已經達到世界先進水平，能夠對至今為止所有疑似暗物質探測實驗所獲得的數據信號進行高精度的驗證。但是，PandaX合作組至今的探測尚未發現任何暗物質的事例，這個測量結果和一些其他實驗所發現的輕質量暗物質疑似信號不兼容。

PandaX（熊貓計劃）是「粒子和天體物理氙探測器」（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）的英文簡寫，是我國開展的首個百公斤級大型暗物質實驗。實驗利用在空氣中提純的惰性元素氙（Xe）作為探測媒介來尋找暗物質；由上海交通大學牽頭，包括山東大學、中科院上海應用物理研究所、北京大學、雅礱江流域水電開發有限公司、美國馬里蘭大學和美國密西根大學的40多位研究人員參與。

專家認為，PandaX作為中國開展的首個百公斤級大型暗物質實驗，標誌著中國在暗物質探測這個前沿科學領域跨進世界先進行列。

中科院院士、中科院國家天文台研究員武向平表示，儘管此次實驗結果是「零」，但其「是物理學和天文學融合的重要成果」，重要性毋庸置疑。

本世紀以來，國際上相繼開展了20多個暗物質探測實驗。義大利DAMA/LIBRA實驗、美國CoGeNT和CDMS兩個實驗以及德國CRESST實驗先後宣稱發現了疑似輕質量暗物質的信號，引起廣泛關注。

PandaX合作組負責人、上海交通大學物理與天文系教授季向東介紹，PandaX旨在利用在空氣中提純的惰性元素氙（Xe）作為探測媒介尋找暗物質。PandaX合作組首期實驗中，科學家用約120公斤的液態氙作為靶點子來探測，目標是檢驗其他實驗發現的輕質量暗物質疑似事例。探測規模僅次於世界上最大的、位於美國南達科他州地下礦井中的一個同類實驗LUX。

位於四川攀枝花的世界最深地下實驗室

什麼是暗物質

暗物質與暗能量被認為是宇宙研究中最具挑戰性的課題，是科學家為了完善大爆炸理論和廣義相對論而提出的一種假設。

如今廣為人知的大爆炸理論對宇宙起源的解釋是不完善的。宇宙學家發現，當我們把宇宙的膨脹速度，跟所有能夠觀測到的星系、塵埃、輻射等等物質的總質量放進廣義相對論方程里比較，會發現宇宙的總質量應該遠遠大於已知物質的總質量。物理學家曾經在計算機中模擬一團原始物質在引力和宇宙膨脹的共同作用下，逐漸聚集成星系的過程。如果假設宇宙中不存在額外的物質，那麼模擬結果就和實際的觀測對不上。如果假設存在一種大質量的粒子，只參與弱相互作用和引力，不參與其它相互作用的話，模擬結果就比較理想了。

這些現象迫使天文學家和物理學家提出，宇宙中存在一種「暗物質」。主流觀點認為，暗物質是一種大質量、弱相互作用粒子，簡稱為WIMP。這種粒子不是某類具體的粒子，而是一個總稱。滿足這個要求的候選粒子不止一種。

它們代表了宇宙中96%的物質含量，而我們可以看到的物質只佔宇宙總物質量的4%左右。科學家認為，暗物質不具有電磁輻射，無法用電磁波直接觀測得到，但它卻具有質量，能干擾已知物質發出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。

將繼續探測重質量暗物質

季向東表示，探測暗物質的主要困難是屏蔽地球上無處不在的放射性。為了躲避宇宙射線的干擾，PandaX實驗在世界最深的四川錦屏地下實驗室進行。該實驗利用極深的山洞上方2400米厚的岩石覆蓋阻擋宇宙線干擾。山洞岩石的放射性由一個100噸的聚乙烯、鉛及高純銅組成的屏蔽體來屏蔽。液氙內部的放射性元素氪則利用蒸餾的方法將濃度降至低於百億分之一。此外，探測器和屏蔽體所用材料也預先經過檢測，確保其不會給實驗探測造成顯著的本底干擾。

PandaX項目採用了先進的「二相型氙」技術，捕捉暗物質粒子與氙原子核發生彈性碰撞而產生的微弱信號。當氙原子受到暗物質粒子的碰撞時會得到一定能量，在液氙中反衝產生光信號和電離電子。電子在強電場作用下向氣態氙漂移，衝進氣體產生二次發光信號。這兩個信號都能夠被探測器頂部和底部光電倍增管陣列探測到，用以判別碰撞所發生的空間位置。最終，利用這兩個信號的相對大小便能區分來自暗物質或其他放射性所產生的事件。

今年5月份開始獲取的暗物質探測數據中，PandaX探測器記錄了大約400萬個事例，在暗物質可能產生的能區中有大約1萬個事例，而在探測器最「安靜」的中心——37公斤液氙中只有46個事例。經分析，這46個事例全部來自於放射性本底，沒有任何暗物質痕迹。PandaX此次結果結合了低閾能和大曝光量兩個優勢，對以往實驗中所有發現的疑似信號提出了強烈質疑。

PandaX能在如此短的探測時間內得出具有國際影響力的結果，關鍵在於使用了近十年來發展最迅速的液氙探測技術。中科院理論物理研究所研究員周宇峰認為，由於獨到的扁平狀探測器設計，PandaX實驗可以達到比同類實驗室更高的光採集效率和更低的探測器閾能。據悉，歐洲和美國在這個技術上正在加大投入。目前，世界上運行中最大的該類型探測器是美國的250公斤級LUX探測器。

中科院院士、上海交通大學校長張傑表示，在首次排除了較輕的疑似暗物質信號以後，PandaX將繼續以更高的靈敏度尋找相互作用更微弱的輕質量暗物質。同時，正在建造一個500公斤級的探測器，尋找理論家所預言的、更有可能是較重質量的一類暗物質粒子。

PandaX項目於2010年正式在中國啟動。2012年7月，合作組完成了製冷設備、杜瓦系統內外罐、首期探測器的建造和初步調試，所需屏蔽體在錦屏地下實驗室搭建完成。實驗設備於2012年8月運抵四川錦屏山。從2012年至2014年初，實驗組完成實驗系統的安裝和調試及試運行。