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寻找暗物质:中国锦屏地下实验室获最灵敏结果

进一步缩小暗物质存在区域 推翻国外部分实验结论

来源:科技日报 2014-11-12 林莉君

  研究暗物质一直是世界物理学界的热点,但是要想在这方面取得突破性进展并非易事。中国暗物质实验(CDEX)合作组4年磨一剑,取得了重要进展:对于10GeV以下暗物质的直接探测,CDEX合作组利用点电极高纯锗,得到了目前国际最灵敏的实验结果。不仅进一步缩小了暗物质可能存在的区域,同时推翻了美国CoGeNT暗物质实验组近年来宣称 “已经探测到暗物质存在区域”的结论。相关论文于北京时间11日被国际著名科学杂志《物理评论D》发表。

  英国皇家科学院院士、欧洲核子中心理论部教授约翰•艾力斯表示:“这是一个国际前沿水平的实验结果。近年来,在轻质量暗物质区间有很多实验结果相互矛盾,中国的实验结果非常确定地排除了美国CoGeNT实验组给出的暗物质区域,并且排除了意大利暗物质实验组(DAMA/LIBRA)和美国另一暗物质实验组(CDMS-II)给出的大部分暗物质区域。”

  国际知名高能物理学家、中科院赵政国院士也对该项成果表示祝贺。他说:“非常高兴地看到他们新的研究文章被《物理评论D》接收发表,文章报告了CDEX合作组在中国锦屏地下实验室利用P型点电极高纯锗探测器给出的对于轻质量暗物质粒子的限制结果。这一结果利用相同的探测技术和靶材料,把美国CoGeNT实验组给出的暗物质存在区域确定地排除掉,研究成果让人印象深刻。”

  研究占宇宙物质质量约85%的暗物质,有助于人类重新认识物质世界。但由于暗物质不发光,很难捕捉到。科学家首先要确定它的存在范围。“这就好比海底捞针,理论物理学家给出了不同的寻找范围,我们实验物理,通过不同的实验方法去验证这些理论是否正确,并寻找新的暗物质存在范围。”中国锦屏地下实验室主任、清华大学程建平教授接受科技日报记者采访时说。

  本世纪以来,美国、英国、韩国、日本等世界发达国家建立了多个暗物质实验小组,在此领域展开激烈竞争。其中,美国CoGeNT实验组于2011年公布了实验结果,宣称在轻质量暗物质区域发现暗物质存在,引发理论和实验物理学界高度关注和热烈讨论。

  2009年,清华大学联合四川大学、南开大学、中国原子能科学研究院、雅砻江流域水电开发有限公司等单位,建立了CDEX合作组,吸引了粒子物理实验、辐射探测技术、低本底测量、暗物质理论等诸多学科的70多位科学家参与到这项研究中。

  与其他研究不同,开展暗物质实验不仅取决于团队的科研能力,还受限于科研环境和科研仪器。参与CDEX研究的清华大学工程物理系教授李元景告诉记者:“暗物质实验必须在极深的地下实验室进行,只有这样,高能量的宇宙线才能够被尽可能地屏蔽,为暗物质探测提供尽量‘干净’的辐射环境。”

  于2010年投入使用的中国锦屏地下实验室,前期专门为探测暗物质而建。垂直岩石覆盖达2400米,是国际上岩石覆盖最深的地下实验室,被誉为中外物理学家眼中的实验天堂。而我国自主设计的实验仪器——质量约为1公斤的高纯锗探测器,是世界上单体质量最大的点电极高纯锗探测器原型,对轻暗物质的探测十分灵敏。

  这些因素为我国暗物质实验打下了良好的基础。“我们的实验对理解多个实验组发布的、相互矛盾的暗物质实验结果提供了更新的、灵敏度更高的证据。将暗物质直接探测实验向更低能和更高灵敏度区域推进,扩展了新物理研究领域。”CDEX合作组首席科学家、清华大学康克军教授说,“下一步,实验组将建设模块化的吨量级高纯锗探测器阵列系统,进一步提高暗物质探测灵敏度。”

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2014-11-14 11:56:16]
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