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上海交通大学:PandaX-4T实验发布首个暗物质搜寻结果
2021-07-09 09:54
上海交通大学
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  北京时间2021年7月8日下午4时,上海交通大学教授、中国锦屏地下实验室 PandaX实验(“熊猫”实验)发言人刘江来博士在三年一度的马塞尔·格罗斯曼国际广义相对论大会上公布了PandaX-4T实验的首个暗物质搜寻结果。此次结果基于PandaX-4T 试运行95天的数据,用0.63吨•年的曝光量,再次刷新了暗物质性质的边界值。

  近百年的天文学和宇宙学的研究表明,宇宙中“看不见”的暗物质比我们已知的普通物质多了5倍多!科学家们普遍认为,暗物质与普通物质之间极有可能存在一种新的微弱的相互作用,可以在极深地下、利用超高灵敏度的探测器来寻找它们。

  PandaX 实验由季向东教授在2009年发起,目前合作单位包括山东大学、北京大学、中国科学技术大学、中山大学、北京航空航天大学、南开大学、复旦大学、原子能科学研究院以及雅砻江流域水电开发有限公司(雅砻水电)等,共有70多位科研工作者参与,美国、法国、西班牙、泰国几家单位也参与国际合作。PandaX实验位于四川凉山州的中国锦屏地下实验室,上方岩石埋深达2400米,是世界上最大埋深、宇宙线本底最低的地下实验室。实验室由清华大学和雅砻水电共同开发管理。

  PandaX采用液态氙作为暗物质靶和探测器。弥散在银河系内的暗物质粒子可能碰撞到氙原子核,而氙原子核的反冲将在探测器中发光或产生其他氙原子的电离,从而被位于探测器上下部的灵敏的光电倍增管记录下来。在过去的10余年中PandaX合作组已经完成了两代暗物质实验(PandaX-I:120公斤,PandaX-II:580公斤)。其中PandaX二期实验数度取得了对暗物质粒子国际领先的限制,成果入选2016年《科技导报》十大科学进展和2017年美国物理学会亮点。为了提升暗物质探测的灵敏度,2019年起PandaX团队在锦屏二期的B2实验厅建设新一代的4吨级实验(PandaX-4T)。国际上同时在建的多吨级液氙实验还有位于意大利Gran Sasso实验室的XENONnT和美国Sanford实验室的LZ实验。

  PandaX-4T所在的锦屏二期实验室是国家发改委“十三五”重大科学基础设施项目之一,预期2023年完工。为了加快实验进度,PandaX团队在锦屏二期实验室B2实验厅中提前建设了临时配套设施和900吨的超纯水屏蔽装置。2019年8月,实验组进驻,并于2020年5月底完成探测器安装,建设过程中克服了诸多技术挑战和新冠疫情的影响。2020年11月28日,探测器调试完成,进入试运行,至2021年4月15日结束运行,其中稳定取数共95天。

  PandaX-4T探测器中共有5.6吨的高纯氙气,其中灵敏区域中有3.7吨。对暗物质探测最为重要的就是降低本底的干扰。负责中心探测器研制和数据分析的上海交通大学周宁副教授表示,通过多项低本底技术的改进,在同样的曝光量下,PandaX-4T的本底PandaX-II降低了4倍。PandaX-4T本底的最主要成分是弥散在探测器中同样是化学惰性的氡气以及痕量的氚事例;其中,氚的污染很可能来源于PandaX二期实验结束后的一次刻度注入。在95天的运行中,PandaX-4T探测器记录了约13.7亿次的事件,其中仅有1058个事例通过筛选进入了最终的暗物质分析数据集。这些事例中有6个事例落在了信号区域内,通过分析,它们和本底预期吻合,未出现暗物质事例超出的迹象。由于出众的灵敏度,PandaX-4T的这批数据覆盖了之前未被探测过的暗物质与普通物质作用的参数空间,取得了对暗物质最好的搜寻结果。

  此次试运行结束后,PandaX实验组将加快开展对探测器中氚本底的提纯工作,预期将探测器的本底降低一倍以上,以更高的灵敏度搜寻暗物质。

  PandaX实验受到教育部、上海交通大学、中国锦屏地下实验室以及其他合作单位的大力支持。自然科学基金委、科技部、上海市科委及科创办、香港鸿文基金会和腾讯基金会都对PandaX项目有重要资助。

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