大型暗物质探测实验组PandaX发表首批物理数据

由中国科学家领导的大型暗物质探测实验小组PandaX公布了该实验小组在上海交通大学使用120千克液态氙探测器获得的第一批数据。该研究成果的官方论文已由《科学·中国物理学》发表。《力学与天文学》(中国科学:物理、力学、天文学，英文版)杂志被接受并出版。PandaX是中国进行的第一个100公斤级大规模暗物质实验，其运行结果标志着中国在暗物质探测这一前沿科学领域已经步入世界先进行列。

PandaX团队宣布，从今年5月开始，经过一个多月的运行，该团队设计开发的120千克液态氙探测器的灵敏度已达到世界先进水平，从而能够对迄今为止所有疑似暗物质探测实验获得的数据信号进行高精度验证。然而，迄今为止，PandaX团队还没有发现任何暗物质案例。这一测量结果与其他一些实验中发现的可疑的轻质量暗物质信号不一致。自本世纪以来，国际上先后进行了20多次暗物质探测实验，利用暗物质和探测器之间的直接碰撞来发现暗物质。特别是，近年来，意大利的DAMA/LIBRA实验、美国的CoGeNT和CDMS实验以及德国的CRESST实验都相继声称发现了可疑的轻质量暗物质信号。这些信号引起了科学界和公众的强烈兴趣。

熊猫项目是“粒子和天体物理氙探测器”的英文缩写。该实验使用氙(Xe)，一种在空气中纯化的惰性元素，作为探测介质来发现暗物质。该实验由上海交通大学组织和领导。包括中美6所研究机构和大学(山东大学、上海应用物理研究所、中国科学院、北京大学、雅砻江流域水电开发有限公司、马里兰大学和密歇根大学)，共有40多名研究人员参加。

物理学和天文学家从大量天文观测中推断出，宇宙中约有27%是由有质量的暗物质组成的，但没有电磁和与普通物质的强相互作用。在银河系中，暗物质比我们熟悉的普通物质多20多倍。地球和太阳系在银河系的暗物质“烟雾”中运动。暗物质可以毫无阻碍地穿梭于普通物质之间，比如地球。然而，自从发现希格斯粒子以来，在粒子物理的标准模型中找不到暗物质的解释。暗物质的神秘本质通常被认为是21世纪物理学和天文学中最具挑战性的问题之一。

PandaX团队实验的第一阶段使用大约120千克液态氙作为检测的目标点。它的主要目的是测试在其他实验中发现的轻质量暗物质的可疑案例。这种检测规模仅次于LUX，LUX是世界上同类产品中最大的，位于美国南达科他州的一个地下矿井中。为了避免宇宙射线的干扰，潘达克斯实验在四川锦屏世界最深的地下实验室进行。该试验场由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司于2010年联合开发。由地下实验室进行的另一项暗物质探测实验是CDEX实验，这是清华大学领导的一个暗物质探测实验小组，它使用低阈值能量的锗探测器探测轻质量暗物质。CDEX也公布了今年的检测结果，质疑由CoGeNT检测到的可疑信号。

这类实验的主要困难是地球上普遍存在的放射性。来自宇宙射线的干扰可以通过覆盖深洞穴上方的岩石来阻挡。在PandaX实验中，洞穴岩石的放射性被一个由100吨聚乙烯、铅和高纯度铜组成的屏蔽层屏蔽。通过蒸馏，液态氙中的放射性元素氪的浓度降低到100亿分之一以下。此外，用于检测器和屏蔽的材料和光电倍增管已经过辐射检测站的预先测试和预先选择，以确保它们自身的放射性强度不会对实验检测造成显著的背景干扰。

PandaX使用先进的“两相氙”技术来捕捉暗物质粒子和氙核弹性碰撞产生的微弱信号。当氙原子受到暗物质粒子的撞击时，它们会获得一定的能量并在液态氙中反冲，从而产生光信号和电离电子。电子在强电场的作用下向气态氙漂移，冲进气体中产生二次发光信号。这两种信号都可以被探测器顶部和底部的“照相机”——光电倍增管阵列——探测到，这可以用来识别碰撞的空间位置。这两个信号的相对大小可以用来区分暗物质或其他放射性事件。

即使通过各种方法降低背景，在今年5月开始的暗物质探测数据中，潘达克斯探测器记录了大约400万个案例，大约10，000个案例在可能产生暗物质的能量区，而在探测器“最安静”的中心只有46个案例——37公斤液态氙。与放射源校准相比，后46例均来自放射性背景。没有暗物质的痕迹。潘达克斯的结果结合了低阈值能量和大曝光的优点，并强烈质疑在先前实验中发现的所有可疑信号。

潘达克斯项目于2010年在中国正式启动。2012年7月，合作团队完成了上海交通大学制冷设备、杜瓦系统内外罐和第一台相位检测器的建设和初步调试。同时，实验所需的屏蔽也在锦屏地下实验室完成。实验设备于2012年8月16日抵达四川省锦屏山。从2012年到2014年初。实验组在锦屏山安装调试了整个实验系统，完成了两次试运行，成功测试了制冷系统、电子系统和数据采集系统，完成了“两相氙技术”的验证，对检测系统进行了校准和测试，获得了检测之前实验中发现的疑似亮暗物质信号所需的低阈值能量。

在如此短的检测时间内，PandaX取得具有国际影响力的成果的关键在于液态氙检测技术的使用，该技术在过去十年中发展最为迅速。欧洲和美国正在增加对这项技术的投资。目前，世界上运行的这种类型的最大探测器是美国的250千克勒克斯探测器。在第一次消除了怀疑是暗物质的光信号后，潘达克斯将继续寻找相互作用较弱、灵敏度较高的亮暗物质。与此同时，一个500公斤重的探测器正在建造中，以寻找理论家们预测的暗物质粒子的种类，这些粒子更有可能更重。

潘大一期建设和实验探索得到了上海交通大学985项目、国家科技部973项目、国家基金委总干事基金项目、上海市科委重点实验室建设项目的资助。此外，它还获得了山东大学和北京大学的资助。