中国科研团队刷新暗物质探测灵敏度

2018-06-19 人民日报

  日前,清华大学主导的中国暗物质实验合作组(CDEX)在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》上在线发表题为《基于CDEX—10实验首批102.8公斤·天数据的轻质量暗物质限制》的研究论文。CDEX研究团队在世界岩石覆盖最深的中国锦屏地下实验室利用液氮直冷点电极高纯锗探测器在4—5 GeV范围内给出8×10—42平方厘米的自旋无关暗物质直接探测灵敏度,获得世界最好结果。

  清华大学工程物理系岳骞教授、马豪副教授和博士后杨丽桃为本文通讯作者,工程物理系博士生江灏和贾历平为本文共同第一作者。

  暗物质是指宇宙中那些既不发射光,也不吸收和反射光的物质。天文学的众多观测数据和结果表明,其广泛分布在宇宙的各个角落,约占整个宇宙物质质量的85%,在物质起源和宇宙演化过程中具有重要地位。

  当前暗物质探测方法大体分为三类:间接探测实验、直接探测实验和加速器实验,也可以被形象地比喻成“上天”“入地”和“人造暗物质”。CDEX团队在中国锦屏地下实验室开展实验属于暗物质直接探测。当弥散在整个空间的暗物质粒子偶尔与锗原子核发生碰撞后,会导致锗核发生反冲并通过电离过程在探测器内沉积能量。CDEX团队所进行的点电极高纯锗探测器实验就是通过研究反冲核的反冲能量、事例率及其变化等参数来研究暗物质粒子的质量、与靶核的相互作用截面、暗物质分布等性质。

  CDEX合作组于2010年起,在中国锦屏地下实验室开始第一阶段暗物质直接探测研究。一系列研究成果不仅推动我国暗物质研究在较短时间内实现从无到国际先进水平,而且提升和扩展了国际暗物质研究的广度和深度。第二阶段CDEX实验在国际上首次采用液氮直冷方式,使用由三串探测器构成的总质量约10千克的点电极高纯锗探测器阵列进行暗物质直接探测实验。

  实验所在的中国锦屏地下实验室,是由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司联合建设的当前世界最深的地下实验室。据介绍,CDEX合作组目前正在锦屏地下实验室二期中,安装一个容积1700立方米的大型液氮恒温器,预计将于2018年底可以投入使用。这对于提升我国粒子物理基础研究水平具有重要意义。

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