清華主導的CDEX暗物質實驗合作組取得世界領先成果

2021-02-08 澎湃新聞

本文原標題：《刷新暗物質探測靈敏度！清華主導的CDEX暗物質實驗合作組取得世界領先成果》

清華大學主導的中國暗物質實驗（China Dark matter EXperiment, CDEX）合作組利用一種國際首創的高純鍺探測系統，在一定範圍內將暗物質直接探測靈敏度提高到目前國際最高水平。相關研究成果於北京時間6月13日在線發表在國際物理學頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters），題為《基於CDEX-10實驗首批102.8公斤·天數據的輕質量暗物質限制》（Limits on light WIMPs from the first 102.8 kg-days data of the CDEX-10 experiment）。

▲實驗設備示意圖▲CDEX-10實驗裝置與自旋無關暗物質排除曲線

中國暗物質實驗研究團隊利用液氮直冷點電極高純鍺探測器在4-5 GeV範圍內給出8×10-42cm2的自旋無關暗物質直接探測靈敏度，獲得世界目前最好的結果。 

暗物質是指宇宙中那些既不發射光，也不吸收和反射光的物質。更嚴格地講，就是不參與電磁相互作用和強相互作用，但依然能夠施加引力影響的不可見物質。天文學的眾多觀測數據和結果表明，暗物質廣泛分布在宇宙的各個角落，約佔整個宇宙物質質量的85%，在物質起源和宇宙演化過程中具有十分重要的地位。

當前暗物質探測方法大體分為三類：間接探測實驗、直接探測實驗和加速器實驗。間接探測實驗為了減少地球大氣層的幹擾，實驗通常在太空進行，如於2015年底發射升空的「悟空」號暗物質粒子探測衛星。直接探測實驗為了減少宇宙線的幹擾，通常在地下實驗室中進行。加速器實驗則希望通過普通粒子的對撞來產生暗物質粒子。由於加速器實驗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子對撞機上進行。根據這三類探測方法的各自特點，我們可以將他們形象地比喻成「上天」「入地」和「人造暗物質」。

中國暗物質實驗研究團隊在中國錦屏地下實驗室開展的暗物質直接探測研究屬於「入地」。當彌散在整個空間的暗物質粒子偶爾與鍺原子核發生碰撞後，會導致鍺核發生反衝並通過電離過程在探測器內沉積能量。研究團隊所進行的點電極高純鍺探測器實驗就是通過研究反衝核的反衝能量、事例率及其變化等參數來研究暗物質粒子的質量、與靶核的相互作用截面、暗物質分布等性質。

高純鍺是一種半導體材料，純度非常高，雜質濃度一般在1010原子/cm3的水平，相對純度達到了99.9999999999%（俗稱12個9），這一純度是人們熟知的萬足金（99.99%）的一千萬倍。由於高純鍺的純度很高，因此自身放射性水平很低。同時，由於其作為一種半導體探測器，平均電離能很小，能夠獲得比閃爍探測器和氣體探測器好很多的能量解析度和極低的能量閾值。基於以上特點，國際上若干實驗組如CDEX（中國）、CoGeNT（美國）、SuperCDMS（美國）、EDELWEISS（歐洲）等均採用高純鍺晶體作為靶材料和探測器進行暗物質直接探測實驗。

中國暗物質實驗研究團隊正式成立於2009年，由清華大學（工程物理系）主導，聯合四川大學、南開大學、中國原子能科學研究院、北京師範大學、雅礱江流域水電開發有限公司等多家單位組成，使用點電極高純鍺探測器進行暗物質直接探測研究，計劃未來使用噸量級的點電極高純鍺探測器陣列進行暗物質直接探測和無中微子雙貝塔衰變的測量。

▲CDEX合作組部分成員合影

研究團隊於2010年起，在中國錦屏地下實驗室（China JinPing underground Laboratory, CJPL）開始暗物質直接探測研究（CDEX-1）。合作組自主設計國際單體質量最大的1公斤級點電極高純鍺探測器單元，並在錦屏地下實驗室中搭建了完整的實驗系統開展實驗，於2013年發表了暗物質問題提出八十多年來我國首個自主暗物質直接探測的物理結果，開始在暗物質直接探測的國際舞臺上嶄露頭角。2014年，合作組利用反符合甄別技術和體事例/表面事例甄別方法，將自旋相關暗物質的靈敏度提高了一個量級，不僅得到了國際點電極高純鍺自旋相關暗物質探測實驗的最好結果，而且完全排除了使用同類技術的美國CoGeNT實驗組宣稱的發現暗物質的區域（美國CoGeNT實驗組的研究成果自2011年發表到現在，引用次數超過900次），這也是暗物質直接探測歷史上第一次對疑似暗物質事例的確定性排除。2018年初，合作組基於進一步降低閾值和本底水平的新型1公斤級點電極高純鍺探測器，又發表了4 GeV以下自旋相關暗物質探測國際最靈敏結果。

研究團隊目前進行到第二階段CDEX-10實驗。與CDEX-1不同， CDEX-10替換了不利於提高探測器質量的冷指製冷技術，在國際上首次採用液氮直冷方式，使用由三串探測器（每串探測器內部包含了三個1公斤量級的點電極高純鍺探測器）構成的總質量約10 kg的點電極高純鍺探測器陣列進行暗物質直接探測實驗。這項實驗成果是CDEX-10實驗的第一個物理成果。 

▲論文主要作者合影（左起：馬豪、嶽騫、楊麗桃、江灝）

中國暗物質實驗研究團隊目前正在錦屏地下實驗室二期空間安裝一個容積1700m3的大型液氮恆溫器，預計將於2018年底可以投入使用。屆時，CDEX-10實驗將會在該大型恆溫器內運行，為未來噸量級暗物質直接探測實驗奠定基礎。

▲CJPL二期實驗室及大型液氮恆溫器

清華大學工程物理系嶽騫研究員、馬豪副研究員和博士後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。

論文連結：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.241301

延伸閱讀

Nov.

2014

把暗物質探測靈敏度提高十倍

Sep.

2016

尋找暗物質的中國錦屏地下實驗室，在等待一次足以載入史冊的碰撞

Sep.

2016

支持了我國兩個暗物質直接探測實驗

文&圖 | 工物系

編輯 | 粽

相關焦點

  • 大型暗物質探測實驗組PandaX發表重要成果
    今天，以中國科學家為主導的大型暗物質探測實驗組PandaX（熊貓計劃）在上海交通大學發布了實驗組使用120公斤級液氙探測器所獲得的首批數據，實驗結果對以往國際上發現的疑似輕質量暗物質信號提出質疑。
  • 以中國科學家為主導的PandaX發表首批物理數據-實驗組 疑似 物質...
    人們篤信的暗物質在宇宙中存在的看法，再次有了新的突破——以中國科學家為主導的大型暗物質探測實驗組PandaX，昨天在上海交通大學首次發布中國的暗物質觀測數據，這也是實驗組使用120公斤級液氙探測器所獲得的首批數據。這些成果否定了前期美國和歐洲等課題組觀測到的輕質量暗物質的結果。
  • 大型暗物質探測實驗組發布首批物理數據
    新華社上海8月24日電（記者仇逸）24日，以中國科學家為主導的大型暗物質探測實驗組pandax在上海交通大學發布了使用120公斤級液氙探測器所獲得的首批數據。實驗結果對以往國際上發現的疑似輕質量暗物質信號提出質疑。
  • 美國珀杜大學物理學家拉斐爾·朗:中國走上尋找暗物質的「最前沿」
    原標題：美國珀杜大學物理學家拉斐爾·朗：中國走上尋找暗物質的「最前沿」　　新華網華盛頓11月13日電專訪：中國走上尋找暗物質的「最前沿」——訪美國珀杜大學物理學家拉斐爾·朗 　　記者林小春 　　由清華大學主導的中國暗物質實驗合作組近日在美國《物理評論D》上發表最新實驗結果稱
  • 近期清華大學最新科研成果掃描(10月)
    論文連結：　　https://doi.org/10.1002/lpor.201900120　　清華主導的CDEX暗物質實驗合作組取得世界領先成果　　10月15日，清華大學主導的中國暗物質實驗(China Dark matter EXperiment, CDEX)合作組在國際物理學頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review
  • 我校STAR組在高能核物理實驗方面取得重要進展
    中國科學技術大學唐澤波、張一飛課題組與美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）等單位合作，在RHIC-STAR國際合作組中發揮重要作用，在相對論重離子碰撞物理中取得重要突破，首次在這一現象表明重味夸克在極端高溫高密的新物質形態——夸克膠子等離子體中有不同於冷核物質中的強子化機制，對深入研究夸克膠子等離子體特性具有重要意義。研究成果發表在《物理評論快報》Phys. Rev. Lett. 124, 172301 (2020)。
  • ...液氙暗物質、中微子探測」 國際研討會在上海交通大學四川研究...
    2020年12月1日-2日，由上海交通大學物理與天文學院、李政道研究所主辦，上海交通大學四川研究院承辦的「深地液氙暗物質、中微子探測」國際研討會（International workshop on the dark matter detection and neutrino physics with deep underground
  • 清華又一個世界之最!
    清華大學供圖清華大學校長邱勇在致辭中指出，清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司在2009年籤署了合作協議，「十年磨一劍」，這把科研寶劍仍在鑄造過程中，但它的光芒已經初步顯現，相信實驗室未來將會取得更加耀眼的成果。也許就在不久的將來，這裡的新發現很可能會引發物理學的一場革命。
  • 這項全球領先前沿科學實驗,徹底「轉戰」江門
    如今，大亞灣反應堆中微子實驗已完成使命，江門中微子實驗將接棒，預期在中微子質量順序、振蕩參數精確測量等方面取得國際領先的科學成果。探索圍繞中微子的相關研究四獲諾獎了解大亞灣實驗退役之前，先要清楚，中微子是什麼？
  • 理論物理所在原初黑洞暗物質研究中取得進展
    理論物理所在原初黑洞暗物質研究中取得進展 2020-06-23 理論物理研究所 【字體：　　宇宙學和天文學觀測表明，宇宙中存在大量的暗物質，約佔宇宙全部物質的85%。不同於其他約佔15%的普通物質，暗物質的本質依然是當前基礎物理中最大的謎團之一。儘管弱相互作用大質量粒子（WIMP）被認為是暗物質的一個重要的候選者，但是大量的實驗觀測都沒有發現它們存在的證據。相反地，它們賴以存在的理論參數空間正在被迅速壓縮。原初黑洞最早由霍金以及卡爾在上世紀七十年代初提出。
  • 國科大呂曉睿教授擔任北京譜儀III實驗國際合作組聯合發言人
    作為國際慣例，發言人是高能物理實驗國際合作組的最高級職位，負責全面領導實驗合作組的各方面事務。呂曉睿教授將與高能物理研究所苑長徵研究員、德國美因茨大學Wolfgang Gradl教授共同作為BESIII合作組發言人領導實驗組的順利運行。
  • 紫金山天文臺常進:暗物質粒子探測進入新時期
    中國錦屏地下實驗室示意圖（清華映像） 國際上已經或者正在開展的暗物質直接探測實驗有數十個，這也從一個側面反映了暗物質探測的重要性。 暗物質直接探測實驗靈敏度在過去30年裡取得了巨大的提升(見下圖)。對於WIMP暗物質和核子的自旋無關彈性散射截面，最新的限制已達到4×10−47cm2[4]，離中微子「地板」只有大約2~3個數量級的距離。
  • 理論物理所等在暗物質研究中獲進展
    暗物質直接探測實驗XENON1T位於義大利格蘭薩索國家實驗室地下，利用2噸重的液氙作為探測器，試圖捕捉穿行其中和原子核或電子反應的暗物質蹤跡。擁有較低的本底噪聲及噸級的靶，使XENON1T給出過世界上較領先的暗物質限制。前期研究表明，對於電子反衝信號的搜索超過本底的預期。
  • 中國大亞灣實驗功成身退 打開中微子研究新大門
    大亞灣中微子實驗裝置退役儀式上，相關科研、工程建設人員代表合影留念。　孫自法 攝其中，大亞灣實驗國際合作組2012年3月宣布發現一種新的中微子振蕩，並以前所未有的精度，測得其振蕩大小為0.092，誤差為0.017，無振蕩的可能性僅為千萬分之一。這一重大發現對於研究物質本原和宇宙起源，理解宇宙中反物質消失之謎具有重要意義。
  • 恭喜鄭州大學，正式成為高能物理國際合作組正式成員
    恭喜，鄭州大學加入Belle II國際合作組，為中國內地高校第十位正式成員Belle II國際合作組，也可稱作高能物理國際合作組，擁有世界上最先進的高能物理實驗室。Belle II高能物理實驗總部位於日本的筑波科學城，歸屬於日本高能加速器研究機構(KEK)的超級KEKB正負電子對撞機上建立的，實驗室利用日本超級KEKB正負電子對撞機進行高能物理實驗。是一項重要的國際合作實驗單位，也被稱為「B介子工廠」。
  • 暗物質粒子探測衛星"悟空"獲得迄今最精確高能電子宇宙線能譜
    中國科學院日前舉行新聞發布會，宣布中科院空間科學戰略性先導專項的首發星——暗物質粒子探測衛星（DAMPE）「悟空」取得首批重大科學成果。利用「悟空」採集到的數據，科研人員獲得了世界上迄今最精確的高能電子宇宙線能譜。相關成果於11月30日正式在《自然》（Nature）雜誌在線發表。
  • 上海交大物理與天文學院沈俊太課題組在模糊暗物質研究領域取得...
    上海交通大學物理與天文學院沈俊太教授領導的星系動力學團組近期利用銀河系中心分子區的最新觀測數據來限制「模糊暗物質」模型的參數，取得重要進展。該研究成果已發表在國際權威期刊《天體物理期刊》（The Astrophysical Journal）。論文第一作者為李政道研究所李智博士，沈俊太教授為通訊作者，臺灣大學的薛熙於博士是另一合作者。
  • 暗物質到底是什麼?
    「誰都不知道哪個實驗最終能解決它，」紐約大學的物理教授尼爾·魏納（Neal Weiner）說，「而且如果你不去思考如何正確地做實驗，就找不到它。它不會就那麼撞到你臉上，不然它的名字就不叫『暗物質』了。」
  • 我天文學家發現由重子物質主導的奇特矮星系
    來源:科技日報中國科學院國家天文臺等單位的研究人員發現，在近鄰宇宙有一類特殊的矮星系，在其幾萬光年的半徑內，主要由重子物質構成，暗物質只佔其中一小部分。這與目前在標準宇宙學模型下的矮星系形成理論預言相違背，從而對冷暗物質的假設提出質疑，對經典的矮星系形成理論提出挑戰。相關研究成果26日在線發表於《自然·天文》雜誌上。在以暗能量和冷暗物質主導的標準宇宙學模型下，星系在暗物質暈中形成和演化。在大質量的系統中，重子比例可達到宇宙的平均值，這一比例隨著暗暈質量的減小迅速降低。
  • 「悟空」衛星發現電子宇宙射線異常波動 有望揭開暗物質神秘面紗
    2017年11月30日訊，（記者孫樂琪)記者從中國科學院了解到，暗物質粒子探測衛星「悟空」有充分數據證實，在太空中測量到了電子宇宙射線的一處異常波動。這一波動此前從未被觀測到，意味著中國科學家取得一項開創性發現，且有可能與暗物質相關。該成果於北京時間今晨2時由國際權威學術期刊《自然》在線發表。