我国暗物质重大研究成果11日在国际著名科学杂志《物理评论D》发表

寻找暗物质,排除美意实验方向

来源:人民日报 2014-11-12 赵婀娜

  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,因此,这是一个国际前沿水平的实验结果。

——英国皇家科学院院士、欧洲核子中心理论部约翰•艾力斯教授

  或许,在未来相当长一段时间内,根据理论物理所提供的模型,我们依然没有找到暗物质,但我们的实验过程也依然具有重要意义。这会启迪全世界的科学家在寻找暗物质的过程中,开辟新的方向。

——中国暗物质合作组首席科学家康克军教授

  11日,国际著名科学杂志《物理评论D》快报栏目发表了中国暗物质实验合作组(China Dark matter EXperiment,简称CDEX合作组)的研究成果。

  英国皇家科学院院士、欧洲核子中心理论部教授约翰•艾力斯评论这一成果说:“在暗物质寻找过程中,特别是近年来在轻质量暗物质区间有很多实验结果互相矛盾的情况下,中国暗物质实验合作组新的实验结果是非常重要的一个进展。这个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,因此这是一个国际前沿水平的实验结果。”

意义:排除了美国科学家给出的暗物质区域,指出了下一步寻找的范围

  所谓暗物质,是指不发射任何光及电磁辐射的物质,目前人们只能通过引力产生的效应得知其存在。宇宙学研究表明,在宇宙物质质量中,普通物质约占15%,其余85%是暗物质。暗物质超出粒子物理标准模型以外,是人类对于宇宙物质构成的全新认识。

  2002年,美国国家科学技术委员会的研究报告将暗物质研究列为21世纪最重要的11个物理学前沿研究课题之首。据悉,暗物质研究极有可能在不久的将来取得重大研究突破。其研究成果将可能导致一场新的物理学革命,极大改变人类对于物质世界的认识。

  目前国际上,暗物质实验主要有间接探测和直接探测两种方法。直接探测使得科学家可以深入、直接了解暗物质的基本特性,是最重要的一类暗物质实验。国际上有多个实验组采用直接探测法开展实验,近年来取得了重要实验结果的大多为欧美实验组,其中最主要的探测方案就是高纯锗实验和液氙实验。

  此次《物理评论D》快报栏目发表的研究成果,由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组成的中国暗物质实验合作组,在世界最深的中国锦屏地下实验室,利用单体质量约为1千克、能量阈值约为300电子伏(eV)的点接触高纯锗探测器开展实验所取得。

  中国暗物质实验合作组在质量为10千兆电子伏(GeV)以下的范围内没有探测到暗物质信号,在更大范围内排除了当前理论预期的暗物质存在空间,这是目前国际领先水平的暗物质探测灵敏度测量结果,是对当前暗物质理论进行的一次重要检验。

  “如果将暗物质粒子比喻成一条鱼,在一个漫无边际的海洋中存在。找到这条鱼,就是找寻暗物质的过程。”清华大学原副校长、中国暗物质实验合作组首席科学家康克军教授介绍,“大约在2010年前后,由美国的芝加哥大学领导的CoGeNT实验组称已在海洋深处的某个位置找到了这条‘鱼’。尽管在此之后有不少国家的科研团队对这一结论表示质疑,可是因为探测器原理不同,很难推翻这一结论。直到我们的成果出现,我们采用与美国CoGeNT实验组相同的探测原理,而且探测效率更高、实验室宇宙线本底(自然状态下的放射水平)更低。我们的实验结果证明了美国CoGeNT实验组所宣称的那个区域是不可能有暗物质粒子这条鱼存在的,彻底推翻了他们的结论,为科学家指出了下一步找寻的范围和方向。”

手段:用高纯锗晶体建造探测器,极大降低能量阈值,提高了探测灵敏度

  “我们在2400米的地下建设了一个世界上最好、最干净的实验室,在这里可以把宇宙射线强度降低到一亿分之一。之后,将一个纯度极高、单体质量世界最大、灵敏度极高的高纯锗探测器放到实验室中,进行数据捕捉,同时再用最优化的数据处理方法,将探测器内部发生的有效事件与表面发生的干扰事件进行甄别,进一步去掉假信号,最终得出物理结论。”康克军介绍。

  中国暗物质实验合作组用于建造高纯锗探测器的高纯锗晶体是人类目前生产的最纯的材料之一,纯度高达99.9999999999%,远远高于其它闪烁晶体材料和液化惰性气体材料,是一种非常好的高纯探测器靶材料。

  清华大学研究人员2003年就在国际上率先提出用极低能量阈高纯锗探测器来探测较低能量范围的暗物质粒子的研究计划。这种探测器的能量阈可以低至200—300电子伏,不仅能够探测能量较高的暗物质粒子,还能对质量小于10千兆电子伏的低能量区间暗物质粒子进行有效探测,大大扩展了当前暗物质直接实验探测的灵敏区域。

前景:建立更先进的探测器阵列领跑暗物质研究,并带动新型半导体材料等多个领域发展

  清华大学工程物理系副教授岳骞介绍:中国暗物质实验合作组目前正在建立的10公斤量级高纯锗阵列系统CDEX—10,是目前国际上最大质量的极低能量阈高纯锗探测器阵列,预计2015年将在中国锦屏地下实验室开展暗物质实验研究。这些研究进展不仅把我国暗物质研究提高到国际前沿水平,也为未来我国开展更大规模的极低本底实验奠定了坚实的技术基础。

  据了解,高纯锗探测器因其成本相对较高,限制了大规模使用。我国是世界上锗材料储量最多的国家,因此开展以高纯锗为探测器的大型暗物质直接探测实验,不仅可以推动我国的暗物质研究,而且可以推动高纯锗探测器技术的自主创新,带动国内锗生产工艺,特别是高纯锗晶体生长和处理工艺方面关键技术的发展。

  康克军介绍,我国自主的暗物质实验才刚刚开始,中国暗物质实验合作组服务国家重大战略需求,将瞄准国际先进半导体探测器这一技术领域,发展我国先进探测器技术,打破高纯锗探测器的国际垄断,为我国辐射防护、国土安全、海洋放射性检测等提供自主的测量设备,带动我国新型半导体材料、低噪声电子学、超低本底辐射屏蔽技术、低本底低温制冷技术等多个领域技术的发展和提升。

  “或许,在未来相当长一段时间内,根据理论物理所提供的模型,我们依然没有找到暗物质,但我们的实验过程也依然具有重要意义。”康克军说:“这会启迪全世界的科学家在暗物质寻找的过程中,开辟新的方向。”

2014年11月13日 16:47:40  清华新闻网

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