一只非典型性“熊猫”与暗物质的故事（下篇）

2019-02-24 01:26:39, 滨松中国滨松光子学商贸（中国）有限公司

上篇中，我们看到了我国一支年轻暗物质探测团队PandaX的“胎动”，而在接下来“守望”暗物质的日子里，又会有怎样的挑战在等待着他们，就让我们继续走进PandaX的故事……

地下2400米，执着的坚守

暗物质的探测需要尽最大可能排除多种外来的信号干扰，因此探测器需要在一个“洁净”的超低本底环境下开展工作。

2009-2010年，雅砻江流域水电开发有限公司和清华大学在四川锦屏山共同建设了中国首个极深地下实验室“中国锦屏地下实验室”（CJPL）。2400米的垂直低放射性岩石覆盖形成了天然的屏蔽层，是目前世界上最深、宇宙线本底最低的地下实验室，获得了国际注目。除了Nature杂志以《Dark-matter hunt gets deep》为题进行了专题报道以外，2015年诺贝尔物理学奖得主阿瑟·麦克唐纳也曾对实验室有过高度的评价。在这里运行着两个我国暗物质大型直接探测实验，一个是清华大学主导的CDEX（高纯锗），另一个就是上海交通大学主导的PandaX（液氙）。

巍峨的锦屏山

清华大学主导的CDEX使用的是高纯锗探测器，2016年11月发表了获得10GeV以下能区点电极高纯锗探测器暗物质实验的最灵敏实验结果，受世界关注。

虽然是实验的极佳场所，但对于人来讲环境却十分恶劣。实验室处在一条17公里隧道的中央，隧道在贯穿半年后洞壁还在一直冒水，必须穿着雨靴淌着一尺多深的水才能进入，情况可想而知。“我们就是要在这样极端的环境下，争取把暗物质探测实验的精度做到极致。”项目负责人季向东教授曾这样说道。

通往实验室的隧道

来源：bbs.voc.com.cn

锦屏地下实验室隧道

锦屏地下实验室PandaX项目组

实验设备

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完成初步调试的次月，即2012年8月，PandaX实验设备运抵四川锦屏实验室，在此之前，探测器屏蔽体也完成了搭建。自此到2014年初，实验组对整个实验系统进行了安装和调试，以及两次试运行，成功测试了制冷系统、电子学系统及数据采集系统，并完成了对“二相型氙技术”的验证，对探测系统进行了定标和测试，得到了能够检测以往实验发现到疑似轻质量暗物质信号所需要的低阈能。

PandaX一期主探测器（装配中）

如此艰苦的环境下，在短短的一年半时间里，实验现场的成员们扛下了巨大心理和工作压力，出色地完成了该阶段的任务。

自进入锦屏后，在现场的成员们常期埋头于实验，没有任何假日而言，作为现场负责人的肖梦蛟更是如此。2013年中连续11个月无休让他失去了和家人团聚的机会，且每天都几乎工作到凌晨2点。不足5小时的睡眠、洞内的恶劣环境、高强度的实验工作……如此种种都不断透支着他的身体。但肖依然事无巨细，踏实勤恳地完善着各项工作。和现场的其他成员们一起，将PandaX进入锦屏后最为关键的时期平稳度过。这也为后来项目的一系列成果，打下了坚实的基础。

PandaX一期现场负责人肖梦蛟

与正在安装的暗物质探测器

设备检查（PandaX实验员赵力）

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在一切就绪后，PandaX一期探测器于2014年初开始正式运行，并于8月24日发布了首批120公斤液氙探测器经17天采集的数据，引来了国际暗物质探测同行们关注的目光。

虽然并没有捕捉到WIMPs的信号，但PandaX探测器显示出的灵敏性甚至优于了业内的“老前辈”XENON100。《Science》杂志也很快发布了《探索暗物质，中国团队迎头赶上》的报道，将PandaX，将中国液氙暗物质探测推到了国际暗物质舞台的聚光灯下。

PandaX一期成果对比

这个成果对合作组的成员来讲无疑是巨大的鼓励，不过他们并没有就此止步，二期实验PandaX-II的准备也在同期紧锣密鼓地开展起来。

成果赶超，世界的瞩目

探测器就如一张网，细密程度越高，捕捉到暗物质的可能性就越大。为了达到更高的“密度”，合作组决定在PandaX-II中扩大探测器的规模——建造当前全球最大的500kg级液氙探测器。

PandaX-II探测器

继续拿“网”来形容的话，合作组成员曾介绍，PandaX-II的“网格”只有10^-46CM²那么大，相比一期实验小了10倍，比当期上年的美国LUX实验小2倍。另外，探测器在容器材料、电极、光电倍增管等方面也有了进一步的改进。

探测器装备

探测器中的光电探测部分由新型的3英寸低温低本底型光电倍增管（R11410，滨松公司研制）组成。

这只“大网”在经过了近2年的精心编制后，于2016年3月正式“下网”，历时100天“捕捞”，在6月底收网之时，一共获得了3千万次光信号事件。

PandaX-II探测器

检修讨论（PandaX-II实验员：右—刘江来，左—肖翔，中—李绍莉）来源：bbs.voc.com.cn

然而这些事件究竟是小虾米的水花还是真正大鲶鱼的痕迹，团队还必须对它们进行一一的甄别。而这次数据分析挑战性最高的地方在于利用一个全新的探测器对所有探测到的事件进行“模式识别”，用前所未有的精度来甄别暗物质信号和背景“噪声”。

时间紧迫，想要在激烈的竞争中占得先机，必须尽快且精确地完成所有的分析工作。于是，实验组成员们再次放弃了所有周末和假期，每天花14小时以上的时间对数据进行分析和讨论，在不到一个月的时间，就完成了所有的信号甄别，并成功排查了唯一一个可疑事件，确定了信号来源于探测材料的放射性而不是暗物质。高灵敏的探测器就这样，很干净地排除了本底干扰。

在2016年7月21日晚上，PandaX负责人季向东博士于英国举行的两年一度的国际暗物质大会上正式公布了PandaX二期运行的第一个物理结果：

在3.3万公斤氙原子/天的曝光量下，未发现暗物质粒子，对可能的暗物质粒子做出了最新的限制。

2016年7月发布的PandaX-II实验结果

这一结果进一步推进了暗物质“性质”的明晰，为其理论研究提供了非常重要的信息。而暗物质探测的“前辈”也是领域中在以往较为领先的美国LUX，亦在当天发布了探测器运行332天的实验数据，与PandaX-II在第一个阶段的结果相当。这样再次体现了“新人”PandaX后来居上的气势和实力。

会中聚集的国际暗物质研究“大牛”们对这一结果反应极其热烈，让PandaX一时间成为了全场的“明星”。美国能源部主持暗物质项目的官员Salamon博士更是以“震惊”（stunning）来形容了自己的感受。9月19日，实验结果也作为封面论及主编推荐（Editor’s Suggestion），正式发表在了《物理学评论快报》中。（大约只有六分之一的发表论文会成为该高级学刊的主编推荐）。