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PandaX-4T实验发布首个暗物质搜寻结果

发稿时间(jian):2020-07-10浏览次数:10

   北京时间2021年(nian)7月(yue)8日下午4时在三(san)年(nian)一度的马塞尔·格罗斯(si)曼国际广义相(xiang)对论大会上(shang),中(zhong)国锦屏地下实验(yan)(yan)室PandaX实验(yan)(yan)(“熊猫(mao)”实验(yan)(yan))发(fa)言(yan)人刘江(jiang)来教授公(gong)布了(le)PandaX-4T实验(yan)(yan)的首(shou)个暗物质(zhi)搜(sou)寻结(jie)果。此次(ci)结(jie)果基于(yu)PandaX-4T试运(yun)行95天的数据(ju),用0.63吨•年(nian)的曝光量,再次(ci)刷新了(le)暗物质(zhi)反(fan)应(ying)截面的上(shang)限。

  

   PandaX力图探测(ce)宇(yu)(yu)宙(zhou)中(zhong)(zhong)神秘的(de)(de)(de)(de)暗(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。根(gen)据(ju)近百年的(de)(de)(de)(de)天文学(xue)和(he)宇(yu)(yu)宙(zhou)学(xue)观测(ce)研究,宇(yu)(yu)宙(zhou)中(zhong)(zhong)暗(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)约(yue)占宇(yu)(yu)宙(zhou)总质(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)量能量的(de)(de)(de)(de)27%,比已(yi)知的(de)(de)(de)(de)普(pu)通(tong)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)多出5倍!现今科学(xue)家们普(pu)遍认为,暗(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)一种我(wo)(wo)们仍然(ran)未探测(ce)到的(de)(de)(de)(de)超(chao)出标准模型的(de)(de)(de)(de)新粒子(zi),它(ta)(ta)与普(pu)通(tong)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)之(zhi)间极(ji)有可(ke)能存在(zai)(zai)一种微弱的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互作(zuo)用,对它(ta)(ta)的(de)(de)(de)(de)探测(ce)有可(ke)能打开粒子(zi)物(wu)(wu)(wu)理(li)新的(de)(de)(de)(de)篇(pian)章。而由(you)于可(ke)能存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)反应极(ji)其微弱,我(wo)(wo)们必须使用在(zai)(zai)极(ji)低本底(di)的(de)(de)(de)(de)环境(jing)下(xia)(xia)(深地(di)实验(yan)(yan)室(shi)),利用超(chao)高灵敏度(du)的(de)(de)(de)(de)探测(ce)器来搜寻这类(lei)(lei)暗(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)“幽灵”。PandaX实验(yan)(yan)是(shi)在(zai)(zai)2009年由(you)季(ji)向(xiang)东(dong)教授发(fa)起,实验(yan)(yan)坐落(luo)于四川凉山(shan)州的(de)(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)国锦屏地(di)下(xia)(xia)实验(yan)(yan)室(shi)(CJPL),实验(yan)(yan)室(shi)由(you)清华大(da)学(xue)和(he)雅砻江(jiang)水电共同(tong)开发(fa)管(guan)理(li)。实验(yan)(yan)室(shi)上(shang)方的(de)(de)(de)(de)岩石层厚度(du)达2400米,相(xiang)比世界上(shang)同(tong)类(lei)(lei)地(di)下(xia)(xia)实验(yan)(yan)室(shi)CJPL的(de)(de)(de)(de)埋深最(zui)大(da)、宇(yu)(yu)宙(zhou)线本底(di)也(ye)最(zui)低。

   PandaX采(cai)用(yong)二相型氙(xian)时间(jian)投影室探(tan)(tan)测器(qi),来探(tan)(tan)测银河(he)系内的(de)高速(su)运(yun)动暗物质(zhi)粒(li)子(zi)与氙(xian)核(he)可能发生的(de)碰撞。碰撞产生的(de)电子(zi)离子(zi)对(dui)有(you)一(yi)定(ding)比例会(hui)(hui)重新结(jie)合(he)放出光(guang)子(zi),被探(tan)(tan)测器(qi)中的(de)光(guang)电倍增管探(tan)(tan)测到(dao);另(ling)一(yi)部分逃逸电子(zi)受电场(chang)作用(yong)漂(piao)移到(dao)放大(da)气(qi)体层被放大(da)并探(tan)(tan)测到(dao)。PandaX系列实验已经(jing)在过去完成(cheng)两代暗物质(zhi)探(tan)(tan)测(120公斤(jin)的(de)PandaX-I以及580公斤(jin)的(de)PandaX-II),取得突出的(de)成(cheng)果(guo)。其中PandaX-II一(yi)度(du)取得对(dui)暗物质(zhi)粒(li)子(zi)国际领先的(de)限(xian)制(zhi),入(ru)选2016年《科(ke)(ke)技(ji)导报(bao)》十大(da)科(ke)(ke)学进展和2017年度(du)美国物理学会(hui)(hui)亮点。

   为了(le)(le)(le)(le)提升(sheng)暗(an)(an)(an)(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)探(tan)测(ce)(ce)灵敏度,2019年(nian)起PandaX团队在(zai)锦屏二(er)期(国(guo)(guo)家发(fa)改委“十三(san)五(wu)”重(zhong)大科学(xue)基础(chu)设(she)施项目之一)的(de)(de)(de)B2实(shi)验厅建设(she)起了(le)(le)(le)(le)新(xin)一代的(de)(de)(de)4吨级暗(an)(an)(an)(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)探(tan)测(ce)(ce)实(shi)验:PandaX-4T;同时(shi)国(guo)(guo)际(ji)上在(zai)建的(de)(de)(de)多吨级液氙实(shi)验还有欧美(mei)合(he)作的(de)(de)(de)XENONnT实(shi)验以及美(mei)国(guo)(guo)的(de)(de)(de)LZ实(shi)验。为了(le)(le)(le)(le)加快实(shi)验进度,PandaX团队提前搭建了(le)(le)(le)(le)临时(shi)配套设(she)施和(he)900吨的(de)(de)(de)超纯(chun)水屏蔽系统。2019年(nian)8月实(shi)验组(zu)进驻(zhu);2020年(nian)5月底(di)克服疫情影响完成(cheng)探(tan)测(ce)(ce)器安装;2020年(nian)11月28日,探(tan)测(ce)(ce)器调试(shi)完成(cheng)进入试(shi)运行;2021年(nian)4月15日试(shi)运行结(jie)(jie)(jie)束,共取得(de)稳定(ding)数(shu)(shu)(shu)(shu)据95天。在(zai)此(ci)(ci)次(ci)95天数(shu)(shu)(shu)(shu)据中,PandaX-4T探(tan)测(ce)(ce)器共记(ji)录了(le)(le)(le)(le)13.7亿次(ci)事例(li),其(qi)中仅仅1058个(ge)低(di)能区事例(li)通(tong)(tong)过了(le)(le)(le)(le)数(shu)(shu)(shu)(shu)据质(zhi)(zhi)量筛选进入最(zui)(zui)(zui)终(zhong)暗(an)(an)(an)(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)分(fen)析数(shu)(shu)(shu)(shu)据集(ji),本(ben)底(di)比PandaX-II降低(di)了(le)(le)(le)(le)4倍左(zuo)右;其(qi)中有6个(ge)事例(li)落在(zai)了(le)(le)(le)(le)暗(an)(an)(an)(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)信(xin)号最(zui)(zui)(zui)可几的(de)(de)(de)参(can)数(shu)(shu)(shu)(shu)空间区域。结(jie)(jie)(jie)合(he)模型(xing)分(fen)析了(le)(le)(le)(le)各种(zhong)本(ben)底(di)成(cheng)分(fen),我(wo)们认为这6个(ge)事例(li)在(zai)统计(ji)上与我(wo)们的(de)(de)(de)本(ben)底(di)模型(xing)一致,我(wo)们的(de)(de)(de)数(shu)(shu)(shu)(shu)据未发(fa)现统计(ji)显(xian)著的(de)(de)(de)暗(an)(an)(an)(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)超出信(xin)号。由于PandaX-4T出众的(de)(de)(de)灵敏度,此(ci)(ci)次(ci)结(jie)(jie)(jie)果涵盖(gai)了(le)(le)(le)(le)之前未被其(qi)他实(shi)验探(tan)索国(guo)(guo)的(de)(de)(de)暗(an)(an)(an)(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)与普(pu)通(tong)(tong)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)反(fan)应截面参(can)数(shu)(shu)(shu)(shu)空间,取得(de)了(le)(le)(le)(le)目前对(dui)高质(zhi)(zhi)量暗(an)(an)(an)(an)物(wu)(wu)(wu)质(zhi)(zhi)最(zui)(zui)(zui)好的(de)(de)(de)限制。

   中国(guo)科学技术(shu)大学是PandaX合(he)作组的(de)(de)主(zhu)要合(he)作单(dan)位(wei)之一,核探测与核电子学国(guo)家(jia)重点实验室的(de)(de)林箐特任教授,在(zai)此次(ci)的(de)(de)PandaX-4T第(di)一次(ci)结果(guo)分析中做(zuo)出了重要贡献,提(ti)出利用GPU加速的(de)(de)超精(jing)细模拟(ni)来(lai)构建信号(hao)及本底响应模型(xing),并在(zai)科大搭建的(de)(de)GPU服务器(qi)上指(zhi)导学生完成信号(hao)及本底响应模型(xing)的(de)(de)框架构建,为PandaX-4T第(di)一次(ci)结果(guo)灵敏度的(de)(de)计算发挥了主(zhu)要作用。

     

   但此次试运行(xing)中,我们也发现了超出我们预(yu)期(qi)的(de)氚(chuan)化甲(jia)烷(wan)的(de)本(ben)底污染(ran),极大可能(neng)来自于(yu)PandaX-II结束前最后一次的(de)氚(chuan)化甲(jia)烷(wan)刻度(du)源的(de)注入(ru)污染(ran)了氙气。目前PandaX-4T正在(zai)积极开展对(dui)于(yu)探测(ce)器中氚(chuan)化甲(jia)烷(wan)本(ben)底的(de)去除工作,预(yu)期(qi)将把本(ben)底再降(jiang)低一倍以上,以期(qi)达到更高的(de)暗物(wu)质探测(ce)灵敏(min)度(du)。

(物理学院(yuan))

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