中国暗物质实验合作组首席科学家康克军教授做客《文化讲坛》,讲述——

暗物质的找寻之旅

来源:人民日报 2014-12-3 赵婀娜

  近日,中国暗物质实验合作组新的实验结果非常明确地排除了美国CoGeNT实验组给出的暗物质区域,并且排除了意大利和美国两家权威暗物质实验组的大部分区域,这代表我国科学家在暗物质探测方面取得了一个国际前沿水平的实验结果,为全世界的科学家指出了下一步找寻暗物质的范围和方向。

  从4年前,世界最深地下实验室投入使用来探寻暗物质,到今天达到暗物质探测领域的世界先进水平,我国科学家跨越了一大步。中国暗物质实验合作组首席科学家、清华大学康克军教授做客人民日报、人民网《文化讲坛》,讲述暗物质的找寻旅程。

暗物质就像物理天空的一朵“乌云”

  人类不断探索,对世界的认知不断更新,不断深入。在宇宙和物质研究领域,随着希格斯粒子的发现,粒子物理的标准模型画上了圆满的句号,完整的物理天空展现在了我们面前,那么美丽,但在天边却还有“两朵乌云”——暗物质和暗能量。

  由于粒子物理标准模型不能解释,这“两朵乌云”对当代物理学形成了严峻挑战。从上世纪30年代第一次发现暗物质存在的天文学证据以来,全世界的物理学家、天文学家甚至艺术家,就未曾停止探索与想象的步伐:约占宇宙物质质量85%的暗物质,究竟是什么?到底在哪里?

  对暗物质的研究已经有一些基于假设的理论模型,物理学界渴望能有实验研究的结果,特别是直接探测的结果,对这些理论模型进行验证。在暗物质的诸多假设模型中,WIMP暗物质模型最受推崇。该模型认为暗物质是一种弥漫在星系之中、具有静止质量、不带电、与已知物质存在弱相互作用(一定是非常低概率的和非常微弱的)的粒子。如果我们能够测量到这种相互作用,那么就成功地探测到了这种暗物质。

  因此,要在已知的物质中选择一种作为探测器的敏感介质,能够最敏感地感知与WIMP发生相互作用时所产生的非常微弱的能量。问题是,任何非常敏感的探测器介质对其它粒子的作用也是非常敏感的。而我们周围充满了各种辐射粒子,它们会对探测器造成极大的干扰。这就好比,在一个摇滚舞厅里,让一个听力极好的人去分辨一根针落地的声音。

  那么,我们要设法减少干扰探测器的粒子。其中最难的,是阻挡宇宙射线。宇宙射线的力量太大,要想挡住,需要很厚的物质,我们只能将探测器放到很深的地下。有人将探测器放到地下几百米,发现宇宙射线少了些;地下1000米,又少了些;地下1500米,宇宙射线更少了。而清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司联合建设的中国锦屏地下实验室埋深达2400米,为探寻暗物质提供了得天独厚的条件:宇宙射线非常少,天然放射性也很低。

明确排除了美国研究组给出的暗物质存在区域

  目前,国际上一般用“灵敏度曲线”来评价探测器进行直接探测所达到的限度。曲线越低,表示探测器的灵敏度越好,同时也表示在此曲线上方的区域不应该存在WIMP暗物质。以液氙作为探测介质的探测器,在探测高质量WIMP区域取得了最好的灵敏度曲线。但在中、低质量WIMP区域,高纯锗探测器的优势非常突出。

  锗是一种优良的半导体材料,最大限度地提高锗的纯度可以有效去除探测器自身的放射性干扰。采用点电极新型结构有利于降低探测器的能量敏感阈值,提高探测器获取微弱信号的能力。中国暗物质实验合作组主要成员已经在暗物质方面开展了十多年的研究工作,曾率先在国际上提出,利用极低能量阈高纯锗作为探测器开展暗物质直接探测的构想,并开展了相应实验研究。

  我们的1公斤点电极高纯锗单元探测器于2012年投入使用,今年发表的探测结果,确定地排除了美国CoGeNT研究组曾于2011年给出的暗物质存在的区域,在全世界物理学界产生了很大影响。目前,我们的探测器已经是国际上点电极高纯锗探测器中灵敏度最高的探测器系统。遗憾的是,受到多种技术的制约,单个高纯锗探测器无法做得很大。这怎么办呢?我们提出了“阵列探测器”的技术路线,让很多个单体探测器组合成巨大的阵列探测器,例如,将1000个单体1公斤的探测器阵列化,就等效是一个总质量1吨的大型探测器。未来我们将实现百公斤级到吨级的阵列高纯锗探测系统,期望能取得世界瞩目的实验成果。

科学家的“梦”体现在每一个具体的科研环节中

  每位中国科学家的心中都有一个“梦”,这个梦想很宏大,也很实际,它扎扎实实地体现在每一个科研的具体环节之中、体现于每一个科研成果的取得中,也体现在无数科研工作者的努力与探索的实践过程中。

  科研来不得半点功利和浮躁,需要极大的耐心与韧性。在锦屏地下实验室,一平方米有效面积的宇宙线探测器一个星期只能捕捉到一个有效信号,而探测暗物质比探测宇宙线要困难得多。对于任何一项科学研究,都要持有一颗淡然而执着的心,要“板凳坐得十年冷”。

  当然,在探寻暗物质的过程中,我们也有不少收获,在探测器方面,我们自主设计的高纯锗探测器达到了国际领先的灵敏度水平,与之相关的探测器材料、前端电子学、数据获取与处理、低温反符合装置等方面都取得了进展;在基础科学研究方面,我们秉承了“顶天、立地、树人”的科研理念,突显了团队化“集体创新”的机制优势,培养了一批优秀青年人才。

  还有一个很重要的收获,就是让我们的科学家在国际上“扬眉吐气”的锦屏地下实验室。为什么这么说?之前要进行一些在极纯净的环境下开展的实验项目,需要向其他国家提出请求,到人家的实验室里去做,常常身不由己。现在,我们可以方便地在自己的实验室开展包括暗物质直接探测在内的很多面向前沿的基础研究项目。今后,锦屏地下实验室会支持更多的由中国学者领导的国际合作基础研究项目。

  有人说,科研的过程,注定是孤寂的,但在这份孤寂中,我们所有的科研工作者都有一颗火热的心。

2014年12月03日 16:58:07  清华新闻网

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