En

科研进展

2021年07月09日
PandaX-4T实验发布首个暗物质搜寻结果

北京时间2021年7月8日下午4时在三年一度的马塞尔·格罗斯曼国际广义相对论大会上,中国锦屏地下实验室PandaX实验(“熊猫”实验)发言人刘江来教授公布了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,再次刷新了暗物质反应截面的上限。

PandaX力图探测宇宙中神秘的暗物质。根据近百年的天文学和宇宙学观测研究,宇宙中暗物质约占宇宙总质量能量的27%,比已知的普通物质多出5倍!现今科学家们普遍认为,暗物质是一种我们仍然未探测到的超出标准模型的新粒子,它与普通物质之间极有可能存在一种微弱的相互作用,对它的探测有可能打开粒子物理新的篇章。而由于可能存在的反应极其微弱,我们必须使用在极低本底的环境下(深地实验室),利用超高灵敏度的探测器来搜寻这类暗物质“幽灵”。PandaX实验是在2009年由季向东教授发起,实验坐落于四川凉山州的中国锦屏地下实验室(CJPL),实验室由清华大学和雅砻江水电共同开发管理。实验室上方的岩石层厚度达2400米,相比世界上同类地下实验室CJPL的埋深最大、宇宙线本底也最低。

PandaX采用二相型氙时间投影室探测器,来探测银河系内的高速运动暗物质粒子与氙核可能发生的碰撞。碰撞产生的电子离子对有一定比例会重新结合放出光子,被探测器中的光电倍增管探测到;另一部分逃逸电子受电场作用漂移到放大气体层被放大并探测到。PandaX系列实验已经在过去完成两代暗物质探测(120公斤的PandaX-I以及580公斤的PandaX-II),取得突出的成果。其中PandaX-II一度取得对暗物质粒子国际领先的限制,入选2016年《科技导报》十大科学进展和2017年度美国物理学会亮点。

为了提升暗物质探测灵敏度,2019年起PandaX团队在锦屏二期(国家发改委“十三五”重大科学基础设施项目之一)的B2实验厅建设起了新一代的4吨级暗物质探测实验:PandaX-4T;同时国际上在建的多吨级液氙实验还有欧美合作的XENONnT实验以及美国的LZ实验。为了加快实验进度,PandaX团队提前搭建了临时配套设施和900吨的超纯水屏蔽系统。2019年8月实验组进驻;2020年5月底克服疫情影响完成探测器安装;2020年11月28日,探测器调试完成进入试运行;2021年4月15日试运行结束,共取得稳定数据95天。在此次95天数据中,PandaX-4T探测器共记录了13.7亿次事例,其中仅仅1058个低能区事例通过了数据质量筛选进入最终暗物质分析数据集,本底比PandaX-II降低了4倍左右;其中有6个事例落在了暗物质信号最可几的参数空间区域。结合模型分析了各种本底成分,我们认为这6个事例在统计上与我们的本底模型一致,我们的数据未发现统计显著的暗物质超出信号。由于PandaX-4T出众的灵敏度,此次结果涵盖了之前未被其他实验探索国的暗物质与普通物质反应截面参数空间,取得了目前对高质量暗物质最好的限制。

中国科学技术大学是PandaX合作组的主要合作单位之一,核探测与核电子学国家重点实验室的林箐特任教授,在此次的PandaX-4T第一次结果分析中做出了重要贡献,提出利用GPU加速的超精细模拟来构建信号及本底响应模型,并在科大搭建的GPU服务器上指导学生完成信号及本底响应模型的框架构建,为PandaX-4T第一次结果灵敏度的计算发挥了主要作用。

但此次试运行中,我们也发现了超出我们预期的氚化甲烷的本底污染,极大可能来自于PandaX-II结束前最后一次的氚化甲烷刻度源的注入污染了氙气。目前PandaX-4T正在积极开展对于探测器中氚化甲烷本底的去除工作,预期将把本底再降低一倍以上,以期达到更高的暗物质探测灵敏度。


(物理学院)

相关新闻
近日,中国科学技术大学雷久侯、祝宝友和陆高鹏教授团队在雷暴云顶向上放电及多圈层耦合方面取得重要进展...