清華主導(dǎo)的CDEX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組取得世界領(lǐng)先成果
清華新聞網(wǎng)6月14日電 6月12日，清華大學(xué)主導(dǎo)的中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（China Dark matter EXperiment, CDEX）合作組在國際物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上在線發(fā)表題為《基于CDEX-10實(shí)驗(yàn)首批102.8公斤·天數(shù)據(jù)的輕質(zhì)量暗物質(zhì)限制》（Limits on light WIMPs from the first 102.8 kg-days data of the CDEX-10 experiment）的研究論文。中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)利用液氮直冷點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器在4-5 GeV范圍內(nèi)給出8×10-42cm2的自旋無關(guān)暗物質(zhì)直接探測(cè)靈敏度，獲得世界目前最好的結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖
CDEX-10實(shí)驗(yàn)裝置與自旋無關(guān)暗物質(zhì)排除曲線
暗物質(zhì)是指宇宙中那些既不發(fā)射光，也不吸收和反射光的物質(zhì)。更嚴(yán)格地講，就是不參與電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，但依然能夠施加引力影響的不可見物質(zhì)。天文學(xué)的眾多觀測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果表明，暗物質(zhì)廣泛分布在宇宙的各個(gè)角落，約占整個(gè)宇宙物質(zhì)質(zhì)量的85%，在物質(zhì)起源和宇宙演化過程中具有十分重要的地位。
當(dāng)前暗物質(zhì)探測(cè)方法大體分為三類：間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)、直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)和加速器實(shí)驗(yàn)。間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)為了減少地球大氣層的干擾，實(shí)驗(yàn)通常在太空進(jìn)行，如于2015年底發(fā)射升空的“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)為了減少宇宙線的干擾，通常在地下實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。加速器實(shí)驗(yàn)則希望通過普通粒子的對(duì)撞來產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。由于加速器實(shí)驗(yàn)要求將普通粒子加速到極高的能量，主要在歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)這三類探測(cè)方法的各自特點(diǎn)，我們可以將他們形象地比喻成“上天”“入地”和“人造暗物質(zhì)”。
中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開展的暗物質(zhì)直接探測(cè)研究屬于“入地”。當(dāng)彌散在整個(gè)空間的暗物質(zhì)粒子偶爾與鍺原子核發(fā)生碰撞后，會(huì)導(dǎo)致鍺核發(fā)生反沖并通過電離過程在探測(cè)器內(nèi)沉積能量。研究團(tuán)隊(duì)所進(jìn)行的點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器實(shí)驗(yàn)就是通過研究反沖核的反沖能量、事例率及其變化等參數(shù)來研究暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量、與靶核的相互作用截面、暗物質(zhì)分布等性質(zhì)。
高純鍺是一種半導(dǎo)體材料，純度非常高，雜質(zhì)濃度一般在1010原子/cm3的水平，相對(duì)純度達(dá)到了99.9999999999%（俗稱12個(gè)9），這一純度是人們熟知的萬足金（99.99%）的一千萬倍。由于高純鍺的純度很高，因此自身放射性水平很低。同時(shí)，由于其作為一種半導(dǎo)體探測(cè)器，平均電離能很小，能夠獲得比閃爍探測(cè)器和氣體探測(cè)器好很多的能量分辨率和極低的能量閾值。基于以上特點(diǎn)，國際上若干實(shí)驗(yàn)組如CDEX（中國）、CoGeNT（美國）、SuperCDMS（美國）、EDELWEISS（歐洲）等均采用高純鍺晶體作為靶材料和探測(cè)器進(jìn)行暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)。
中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)正式成立于2009年，由清華大學(xué)（工程物理系）主導(dǎo)，聯(lián)合四川大學(xué)、南開大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院、北京師范大學(xué)、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等多家單位組成，使用點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器進(jìn)行暗物質(zhì)直接探測(cè)研究，計(jì)劃未來使用噸量級(jí)的點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器陣列進(jìn)行暗物質(zhì)直接探測(cè)和無中微子雙貝塔衰變的測(cè)量。
CDEX合作組部分成員合影
研究團(tuán)隊(duì)于2010年起，在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（China JinPing underground Laboratory, CJPL）開始暗物質(zhì)直接探測(cè)研究（CDEX-1）。合作組自主設(shè)計(jì)國際單體質(zhì)量最大的1公斤級(jí)點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器單元，并在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室中搭建了完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)，于2013年發(fā)表了暗物質(zhì)問題提出八十多年來我國首個(gè)自主暗物質(zhì)直接探測(cè)的物理結(jié)果，開始在暗物質(zhì)直接探測(cè)的國際舞臺(tái)上嶄露頭角。2014年，合作組利用反符合甄別技術(shù)和體事例/表面事例甄別方法，將自旋相關(guān)暗物質(zhì)的靈敏度提高了一個(gè)量級(jí)，不僅得到了國際點(diǎn)電極高純鍺自旋相關(guān)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的最好結(jié)果，而且完全排除了使用同類技術(shù)的美國CoGeNT實(shí)驗(yàn)組宣稱的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的區(qū)域（美國CoGeNT實(shí)驗(yàn)組的研究成果自2011年發(fā)表到現(xiàn)在，引用次數(shù)超過900次。），這也是暗物質(zhì)直接探測(cè)歷史上第一次對(duì)疑似暗物質(zhì)事例的確定性排除。2018年初，合作組基于進(jìn)一步降低閾值和本底水平的新型1公斤級(jí)點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器，又發(fā)表了4 GeV以下自旋相關(guān)暗物質(zhì)探測(cè)國際最靈敏結(jié)果。
研究團(tuán)隊(duì)目前進(jìn)行到第二階段CDEX-10實(shí)驗(yàn)。與CDEX-1不同， CDEX-10替換了不利于提高探測(cè)器質(zhì)量的冷指制冷技術(shù)，在國際上首次采用液氮直冷方式，使用由三串探測(cè)器（每串探測(cè)器內(nèi)部包含了三個(gè)1公斤量級(jí)的點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器）構(gòu)成的總質(zhì)量約10 kg的點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器陣列進(jìn)行暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成果是CDEX-10實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)物理成果。
論文主要作者合影（左起：馬豪、岳騫、楊麗桃、江灝）
中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)目前正在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期空間安裝一個(gè)容積1700 m3的大型液氮恒溫器，預(yù)計(jì)將于2018年底可以投入使用。屆時(shí)，CDEX-10實(shí)驗(yàn)將會(huì)在該大型恒溫器內(nèi)運(yùn)行，為未來噸量級(jí)暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。
CJPL二期實(shí)驗(yàn)室及大型液氮恒溫器
清華大學(xué)工程物理系岳騫研究員、馬豪副研究員和博士后楊麗桃為本文通訊作者，工程物理系博士生江灝和賈歷平為本文共同第一作者。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“大科學(xué)裝置前沿研究”重點(diǎn)專項(xiàng)等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助，以及清華大學(xué)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)費(fèi)支持。
論文連接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.241301
供稿：工物系 編輯：華山 審核：襄楠 清柳
