清華大學(xué)主導(dǎo)的暗物質(zhì)研究取得重要成果
獲得10GeV以下能區(qū)點(diǎn)電極高純鍺探測器暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的最靈敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果
記者 劉蔚如 通訊員 楊 柳
11月11日，由清華大學(xué)主導(dǎo)，四川大學(xué)、南開大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等單位共同參與的中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（China Dark matter Experiment，CDEX）合作組最新的研究成果在國際著名科學(xué)雜志《物理評(píng)論D》“快報(bào)”欄目（Physical Review D “Rapid Communication”）發(fā)表。這項(xiàng)研究成果獲得了點(diǎn)電極高純鍺探測器在10GeV以下能區(qū)里最靈敏的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用相同的探測技術(shù)確定性地排除了美國CoGeNT實(shí)驗(yàn)組幾年前給出的暗物質(zhì)存在區(qū)域，為更好地理解過去多年國際上多個(gè)實(shí)驗(yàn)組發(fā)布的相互矛盾的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了更新的、靈敏度更高的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
圖為CDEX實(shí)驗(yàn)最新暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)排除線結(jié)果（紅線），暗物質(zhì)不可能在這條排除線上方的區(qū)域存在，
利用相同探測技術(shù)，確定性地排除了美國CoGeNT實(shí)驗(yàn)組多年來宣稱的暗物質(zhì)存在區(qū)域（紫色橢圓區(qū)域）。
CDEX發(fā)表的這個(gè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是目前點(diǎn)電極高純鍺暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)方面世界上最靈敏的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
作為現(xiàn)代物理學(xué)前沿課題的暗物質(zhì)研究
暗物質(zhì)是指不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)，目前人們只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)得知其存在。宇宙學(xué)研究表明，宇宙物質(zhì)質(zhì)量中，普通物質(zhì)約占15%，其余85%是不發(fā)光的暗物質(zhì)。人類通過幾百年的系統(tǒng)科學(xué)研究，對(duì)普通物質(zhì)有了廣泛和深入的了解，基本可以由粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型來描述。但對(duì)于超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型以外的暗物質(zhì)，目前人類的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。暗物質(zhì)研究是當(dāng)前粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)研究領(lǐng)域中最前沿、最基礎(chǔ)、最重要的研究課題之一，其研究成果將帶來人類認(rèn)識(shí)宇宙的重大飛躍，有可能導(dǎo)致新的物理學(xué)革命，極大地改變?nèi)祟悓?duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。
國際上，暗物質(zhì)研究主要有直接探測和間接探測兩種方法，直接探測實(shí)驗(yàn)可以使科學(xué)家深入和直接地了解暗物質(zhì)的基本特性，是最重要的一類暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。國際上有很多個(gè)實(shí)驗(yàn)組采用直接探測法進(jìn)行暗物質(zhì)粒子WIMP探測的實(shí)驗(yàn)，其中，近年來在暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)研究中取得了重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果的幾個(gè)代表性研究組包括美國的CDMS實(shí)驗(yàn)、CoGeNT實(shí)驗(yàn)、LUX實(shí)驗(yàn)以及美國和歐洲合作的XENON實(shí)驗(yàn)等。在這些實(shí)驗(yàn)組里，兩種最主要的探測方案就是高純鍺實(shí)驗(yàn)（CDMS和CoGeNT）和液氙實(shí)驗(yàn)（XENON和LUX）。
據(jù)悉，由于暗物質(zhì)粒子與探測器發(fā)生相互作用的幾率非常小，因此開展探測實(shí)驗(yàn)時(shí)需要將大量的背景信號(hào)去掉，才可能測量到真正的暗物質(zhì)。對(duì)暗物質(zhì)探測靈敏度影響最大的因素之一，就是探測器及周圍材料的放射性本底水平。高純鍺探測器由純度高達(dá)99.9999999999%（簡稱12個(gè)9）的高純鍺晶體制成，是目前人類可以得到的純度最高的晶體材料，是一種非常好的高純探測器靶材料。同時(shí)，暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)還需要將探測器放置在很深的地下實(shí)驗(yàn)室里，利用巨大的山體巖石或地表土壤將高能量的宇宙線通量盡可能降低。
十年積累步入國際先進(jìn)水平
根據(jù)暗物質(zhì)相關(guān)理論，降低探測器能量閾值，可以大幅度提高探測器的靈敏度，從而擴(kuò)展暗物質(zhì)探測的質(zhì)量下限，從目前的10GeV以上降低到1GeV的水平。基于這些理論，清華大學(xué)的研究人員通過理論研究和分析，于2003年就在國際上率先提出利用極低能量閾高純鍺探測器探測較低能量范圍的暗物質(zhì)粒子的研究計(jì)劃。該計(jì)劃所利用的極低能量閾高純鍺探測器的能量閾可以達(dá)到約200－300eV，不僅能夠探測能量較高的暗物質(zhì)粒子，還能夠?qū)|(zhì)量小于10GeV的低能量區(qū)間暗物質(zhì)粒子進(jìn)行有效探測，大大擴(kuò)展了暗物質(zhì)直接探測的靈敏區(qū)域。同時(shí)，高純鍺探測器可以建造成大質(zhì)量的模塊化的探測器陣列系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高暗物質(zhì)探測靈敏度，并能夠進(jìn)行暗物質(zhì)信號(hào)年度調(diào)制效應(yīng)的研究。
圖為參加項(xiàng)目研究的清華學(xué)生在安裝調(diào)試高純鍺探測器。
2004年開始，清華大學(xué)分別與韓國首爾大學(xué)、臺(tái)灣“中研院”合作開展了利用極低能量閾高純鍺探測器直接探測暗物質(zhì)粒子的前期實(shí)驗(yàn)研究工作，發(fā)表了一系列探測器技術(shù)研究成果。這些實(shí)驗(yàn)成果采用了質(zhì)量較小的高純鍺探測器，在10GeV以下區(qū)域取得了很好的暗物質(zhì)探測靈敏度，大大擴(kuò)展了暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)的暗物質(zhì)質(zhì)量研究范圍，將暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)向低能區(qū)推進(jìn)。
基于前期研究基礎(chǔ)并得益于世界最深的地下實(shí)驗(yàn)室——中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的建成，2009年，清華大學(xué)聯(lián)合四川大學(xué)、南開大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等單位正式建立中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組（CDEX合作組），開始在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開展暗物質(zhì)研究。CDEX合作組創(chuàng)新設(shè)計(jì)了質(zhì)量約為1公斤的國際單體質(zhì)量最大的點(diǎn)電極高純鍺探測器，與法國堪培拉鍺探測器公司合作，成功生產(chǎn)了世界上首個(gè)公斤量級(jí)點(diǎn)電極探測器原型，并利用這個(gè)探測器在質(zhì)量小于10GeV的暗物質(zhì)研究熱點(diǎn)能區(qū)開展了輕質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)研究。2013年，CDEX實(shí)驗(yàn)組在《物理評(píng)論D》（Physical Review D）上發(fā)表首個(gè)研究成果，這是我國首個(gè)自主開展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究的物理結(jié)果，其成果在低能區(qū)達(dá)到了國際一流水平，不僅填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的研究空白，而且確立了CDEX實(shí)驗(yàn)組在國際暗物質(zhì)探測領(lǐng)域內(nèi)第一陣營的地位。
隨后，CDEX合作組在2013年研究的基礎(chǔ)上，采用了超低本底碘化鈉反符合系統(tǒng)，并創(chuàng)新發(fā)展了新的本底甄別方法，開展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，利用這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了新的物理結(jié)果，其研究成果于2014年4月在國際學(xué)術(shù)論文預(yù)印本文獻(xiàn)庫（arXiv.org）發(fā)布，該研究論文則于11月11日在《物理評(píng)論D》“快報(bào)”欄目（Physical Review D “Rapid Communication”）發(fā)表。這項(xiàng)研究成果在CDEX合作組2013年實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，把暗物質(zhì)探測靈敏度提升了大約10倍，在與美國CoGeNT實(shí)驗(yàn)組相同的探測原理下，完全排除了該實(shí)驗(yàn)組過去多年來一直宣稱的在輕質(zhì)量暗物質(zhì)區(qū)域發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是具有國際先進(jìn)水平的暗物質(zhì)探測靈敏度測量結(jié)果，對(duì)當(dāng)前暗物質(zhì)理論發(fā)展具有重要意義。
英國皇家科學(xué)院院士、歐洲核子中心理論部教授約翰•艾力斯（John Ellis）評(píng)價(jià)該成果說：“在暗物質(zhì)尋找過程中，特別是近年來在輕質(zhì)量暗物質(zhì)區(qū)間有很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互矛盾的情況下，中國CDEX合作組新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是非常重要的一個(gè)進(jìn)展。這個(gè)結(jié)果非常確定地排除了美國CoGeNT實(shí)驗(yàn)組給出的暗物質(zhì)區(qū)域，并且排除了意大利DAMA/LIBRA和美國CDMS-II暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的大部分區(qū)域。因此這是一個(gè)國際前沿水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。”國際知名的高能物理學(xué)家、實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家趙政國院士表示：“非常高興看到CDEX合作組發(fā)表了新的研究文章，報(bào)告了在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室利用點(diǎn)電極高純鍺探測器給出的對(duì)于輕質(zhì)量暗物質(zhì)粒子的限制結(jié)果。該結(jié)果利用相同的探測技術(shù)和靶材料把美國GoGeNT實(shí)驗(yàn)組給出的暗物質(zhì)存在區(qū)域排除掉，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給我非常深刻的印象。”
推動(dòng)多領(lǐng)域自主研究與創(chuàng)新
據(jù)CDEX合作組首席科學(xué)家、清華大學(xué)工程物理系康克軍教授介紹，CDEX合作組的研究目標(biāo)是在世界最深的中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，利用單體質(zhì)量約為1公斤、能量閾值約為300eV的點(diǎn)電極高純鍺探測器，建立起噸量級(jí)的模塊化高純鍺探測器陣列系統(tǒng)，開展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究。預(yù)期在質(zhì)量為10GeV以下的范圍內(nèi)，取得具有突破性的暗物質(zhì)探測靈敏度測量結(jié)果，對(duì)當(dāng)前暗物質(zhì)理論進(jìn)行重要檢驗(yàn)。
目前，CDEX合作組已經(jīng)建立了一支包括70多位科學(xué)家，涵蓋粒子物理實(shí)驗(yàn)、探測技術(shù)、電子學(xué)、數(shù)據(jù)獲取、輻射防護(hù)、低本底測量、暗物質(zhì)理論等諸多學(xué)科的研究隊(duì)伍，并與臺(tái)灣“中研院”物理研究所、韓國首爾大學(xué)、德國慕尼黑馬普物理研究所等多個(gè)單位合作，匯集國內(nèi)外的著名高校和研究所共同開展研究。
參與CDEX研究的清華大學(xué)工程物理系副教授岳騫介紹說，CDEX合作組針對(duì)未來噸量級(jí)系統(tǒng)的高純鍺陣列特性和低溫反符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，正在建立10公斤左右的高純鍺陣列系統(tǒng)，是目前國際上最大質(zhì)量的極低能量閾高純鍺探測器陣列，預(yù)計(jì)將于2015年在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開展正式的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究。這些研究進(jìn)展將把我國暗物質(zhì)研究提高到國際前沿水平，也為未來我國開展更大規(guī)模的極低本底實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
據(jù)了解，高純鍺探測器生產(chǎn)長期以來都由國外壟斷，相對(duì)較高的成本限制了其大規(guī)模使用，而同時(shí)，我國是世界上鍺材料儲(chǔ)量最多的國家。為了自主地開展噸量級(jí)暗物質(zhì)研究，CDEX合作組也在積極推進(jìn)高純鍺探測器技術(shù)的自主創(chuàng)新，帶動(dòng)國內(nèi)鍺生產(chǎn)工藝，特別是高純鍺晶體生長和處理工藝關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，研制高純鍺半導(dǎo)體探測器，為我國輻射防護(hù)、國土安全、海洋放射性檢測以及基礎(chǔ)前沿研究課題提供自主的測量設(shè)備，帶動(dòng)我國新型半導(dǎo)體材料、低噪聲電子學(xué)、超低本底輻射屏蔽技術(shù)、低本底低溫制冷技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和提升。
“未來幾年，CDEX合作組將利用自主研制的高純鍺探測器建設(shè)10-100公斤量級(jí)的高純鍺陣列探測器系統(tǒng)，為最終建立噸量級(jí)高純鍺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。最終目標(biāo)是利用噸量級(jí)高純鍺陣列系統(tǒng)，開展包括暗物質(zhì)直接探測和雙貝塔衰變等的多物理目標(biāo)的大型低本底實(shí)驗(yàn)裝置。”康克軍說。
CDEX合作組的研究得到了國家自然科學(xué)基金委、教育部、科技部、清華大學(xué)、四川大學(xué)、南開大學(xué)等單位的經(jīng)費(fèi)支持。
（清華新聞網(wǎng)11月13日電）
編輯：襄樺
