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(cè)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(kāi)大學(xué)、中國(guó)原子能科學(xué)研究院和雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司等單位共同參與的中國(guó)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(guó)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(cè)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(cè)技術(shù)確定性地排除了美國(guó)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(guò)去多年國(guó)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(xiàn)結(jié)果（紅線(xiàn)），暗物質(zhì)不可能在這條排除線(xiàn)上方的區(qū)域存在，
利用相同探測(cè)技術(shù)，確定性地排除了美國(guó)CoGeNT實(shí)驗(yàn)組多年來(lái)宣稱(chēng)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(guò)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(lèi)通過(guò)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(lái)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(lèi)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(lái)人類(lèi)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?lèi)對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。
國(guó)際上，暗物質(zhì)研究主要有直接探測(cè)和間接探測(cè)兩種方法，直接探測(cè)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(lèi)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。國(guó)際上有很多個(gè)實(shí)驗(yàn)組采用直接探測(cè)法進(jìn)行暗物質(zhì)粒子WIMP探測(cè)的實(shí)驗(yàn)，其中，近年來(lái)在暗物質(zhì)直接探測(cè)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(guó)的CDMS實(shí)驗(yàn)、CoGeNT實(shí)驗(yàn)、LUX實(shí)驗(yàn)以及美國(guó)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(cè)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(cè)器發(fā)生相互作用的幾率非常小，因此開(kāi)展探測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要將大量的背景信號(hào)去掉，才可能測(cè)量到真正的暗物質(zhì)。對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度影響最大的因素之一，就是探測(cè)器及周?chē)牧系姆派湫员镜姿?。高純鍺探測(cè)器由純度高達(dá)99.9999999999%（簡(jiǎn)稱(chēng)12個(gè)9）的高純鍺晶體制成，是目前人類(lèi)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(cè)器靶材料。同時(shí)，暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)還需要將探測(cè)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(xiàn)通量盡可能降低。
十年積累步入國(guó)際先進(jìn)水平
根據(jù)暗物質(zhì)相關(guān)理論，降低探測(cè)器能量閾值，可以大幅度提高探測(cè)器的靈敏度，從而擴(kuò)展暗物質(zhì)探測(cè)的質(zhì)量下限，從目前的10GeV以上降低到1GeV的水平?；谶@些理論，清華大學(xué)的研究人員通過(guò)理論研究和分析，于2003年就在國(guó)際上率先提出利用極低能量閾高純鍺探測(cè)器探測(cè)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(cè)器的能量閾可以達(dá)到約200－300eV，不僅能夠探測(cè)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(cè)，大大擴(kuò)展了暗物質(zhì)直接探測(cè)的靈敏區(qū)域。同時(shí)，高純鍺探測(cè)器可以建造成大質(zhì)量的模塊化的探測(cè)器陣列系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高暗物質(zhì)探測(cè)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(cè)器。
2004年開(kāi)始，清華大學(xué)分別與韓國(guó)首爾大學(xué)、臺(tái)灣“中研院”合作開(kāi)展了利用極低能量閾高純鍺探測(cè)器直接探測(cè)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(cè)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(cè)器，在10GeV以下區(qū)域取得了很好的暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度，大大擴(kuò)展了暗物質(zhì)直接探測(cè)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(cè)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(guó)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(kāi)大學(xué)、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司等單位正式建立中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組（CDEX合作組），開(kāi)始在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(guó)際單體質(zhì)量最大的點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器，與法國(guó)堪培拉鍺探測(cè)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(cè)器原型，并利用這個(gè)探測(cè)器在質(zhì)量小于10GeV的暗物質(zhì)研究熱點(diǎn)能區(qū)開(kāi)展了輕質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)直接探測(cè)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(guó)首個(gè)自主開(kāi)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(guó)際一流水平，不僅填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的研究空白，而且確立了CDEX實(shí)驗(yàn)組在國(guó)際暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)第一陣營(yíng)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(kāi)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(guó)際學(xué)術(shù)論文預(yù)印本文獻(xiàn)庫(kù)（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(cè)靈敏度提升了大約10倍，在與美國(guó)CoGeNT實(shí)驗(yàn)組相同的探測(cè)原理下，完全排除了該實(shí)驗(yàn)組過(guò)去多年來(lái)一直宣稱(chēng)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(guó)際先進(jìn)水平的暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度測(cè)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(guó)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(shuō)：“在暗物質(zhì)尋找過(guò)程中，特別是近年來(lái)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)際前沿水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。”國(guó)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(guó)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(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室利用點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)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(cè)技術(shù)和靶材料把美國(guó)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(guó)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(cè)器，建立起噸量級(jí)的模塊化高純鍺探測(cè)器陣列系統(tǒng)，開(kāi)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(cè)靈敏度測(cè)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(cè)技術(shù)、電子學(xué)、數(shù)據(jù)獲取、輻射防護(hù)、低本底測(cè)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(guó)首爾大學(xué)、德國(guó)慕尼黑馬普物理研究所等多個(gè)單位合作，匯集國(guó)內(nèi)外的著名高校和研究所共同開(kāi)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(shuō)，CDEX合作組針對(duì)未來(lái)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(guó)際上最大質(zhì)量的極低能量閾高純鍺探測(cè)器陣列，預(yù)計(jì)將于2015年在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(guó)暗物質(zhì)研究提高到國(guó)際前沿水平，也為未來(lái)我國(guó)開(kāi)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(cè)器生產(chǎn)長(zhǎng)期以來(lái)都由國(guó)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(guó)是世界上鍺材料儲(chǔ)量最多的國(guó)家。為了自主地開(kāi)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(cè)器技術(shù)的自主創(chuàng)新，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)鍺生產(chǎn)工藝，特別是高純鍺晶體生長(zhǎng)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(cè)器，為我國(guó)輻射防護(hù)、國(guó)土安全、海洋放射性檢測(cè)以及基礎(chǔ)前沿研究課題提供自主的測(cè)量設(shè)備，帶動(dòng)我國(guó)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(lái)幾年，CDEX合作組將利用自主研制的高純鍺探測(cè)器建設(shè)10-100公斤量級(jí)的高純鍺陣列探測(cè)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(kāi)展包括暗物質(zhì)直接探測(cè)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(shuō)。
CDEX合作組的研究得到了國(guó)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(kāi)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
