PandaX：尋覓「宇宙幽靈」的終極探測器
近日，「科技前沿大師談」暨上海科協大講壇暑期院士專家系列科普講座在滬開講。中國錦屏地下實驗室PandaX（熊貓計劃）實驗負責人、國家「千人計劃」特聘專家季向東博士在「上天入地暗物質」專題講座中對我國暗物質探測進展及發展前景作了深入講解。
暗物質：宇宙中的「神秘幽靈」
暗物質被科學家比作「籠罩在21世紀物理學天空中的烏雲」，季向東將其稱作是宇宙中的「幽靈」。「迄今的研究和分析表明，人類通常所觀測到的普通物質只佔宇宙總能量的5%，而暗物質佔27%左右。從某種意義上說，宇宙是由暗物質主宰的。」季向東用生動形象的比喻作進一步說明，「銀河系被暗物質暈圍繞著，就像包子皮包裹住包子餡一樣。暗物質密度小、速度快、不發光，不參與電磁相互作用，無法用任何光學或電磁觀測設備直接『看』到。」
暗物質涉及宇宙產生和演化的基本問題，對幫助人類認識世界有重要意義。季向東表示，儘管暗物質「來去無蹤」，但根據宇宙學最新研究，暗物質粒子與普通物質之間極有可能存在一種微弱的相互作用。「目前，國際上主要有3類暗物質探測方式，一是利用粒子對撞產生暗物質觀察其衰變的產生實驗,主力設備是歐洲核子中心的大型強子對撞機。二是基於暗物質湮滅產生反物質的原理在太空進行的湮滅實驗,如中國的暗物質探測衛星「悟空」，我們稱其為『上天』。三是測量暗物質散射至液體或固體的散射實驗，PandaX實驗、美國的LUX實驗和中國另一個CDEX實驗均屬此類方式。」
「守株待兔」探測微弱信號
季向東介紹，PandaX全稱為「粒子和天體物理氙探測器」，是中國開展的首個百公斤級大型暗物質實驗，其二期實驗使用的也是目前世界上最大的暗物質探測器，該實驗利用在空氣中提純的惰性元素氙作為探測媒介來尋找暗物質。「首先將氙氣製冷至零下100攝氏度，當暗物質跟氙原子發生碰撞時，氙原子就會發光，同時也會產生自由電子。科學家的工作就是採取『守株待兔』的方式，等待這些微弱的光和自由電子被探測出來，同時確認這些信號不是由其他原因引起的。」
儘管我們身邊有成千上萬億個暗物質粒子，但它們碰撞到氙原子上而產生的信號太過於微弱，還要面臨地球上無處不在的放射性干擾源。因此，該實驗選址在四川南部地下深處2400米的錦屏地下實驗室。季向東說：「每深入地下1000米，宇宙線的干擾就減少10倍。而我們的實驗室有著得天獨厚的條件，可以盡最大可能排除其對實驗本底的干擾。」
暗物質探測道路上奮勇前行
從今年3月PandaX正式啟動採集數據到6月底，探測器已記錄了近3000萬次的光電事件，約相當於每秒記錄3次相應事件。而這短短100天的數據也通過計算機數據高效處理甄別，為暗物質理論研究提供重要信息。季向東說：「儘管目前暫未發現暗物質粒子蹤跡，但這並不代表我們在做無用功。恰恰相反，我們通過探測數據排除了不應該有暗物質存在的區間，對可能存在的暗物質候選對象做出了最新的物理限制，這是在暗物質探測道路上邁出的重要一步。」
隨著暗物質探尋的競爭愈發激烈，我國的科學家將在黑暗地底不遺餘力繼續探尋宇宙的奧秘。「今後10年內，我們還需要將探測靈敏度提升2到3個數量級，并力求對暗物質是否為弱相互作用重粒子作出重要判斷。」季向東談到。
浩瀚宇宙中神秘而未知的暗物質也許將在不遠的將來被科學家們破解。我們也有理由相信，中國會在激烈的國際競爭中奮勇爭先，為科學發展創造更多的可能。
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