清华大学领导的暗物质研究取得重要成果

 

    11月11日,由清华大学主导,四川大学、南开大学、中国原子能科学研究院和雅砻江流域水电开发有限公司等单位共同参与的中国暗物质实验(China Dark matter Experiment,CDEX)合作组最新的研究成果在国际著名科学杂志《物理评论D》“快报”栏目(Physical Review D “Rapid Communication”)发表。这项研究成果获得了点电极高纯锗探测器在10GeV以下能区里最灵敏的暗物质实验结果,利用相同的探测技术确定性地排除了美国CoGeNT实验组几年前给出的暗物质存在区域,为更好地理解过去多年国际上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、灵敏度更高的实验证据。

                    

   图为CDEX实验最新暗物质实验排除线结果(红线),暗物质不可能在这条排除线上方的区域存在,利用相同探测技术,确定性地排除了美国CoGeNT实验组多年来宣称的暗物质存在区域(紫色椭圆区域)。CDEX发表的这个暗物质实验结果是目前点电极高纯锗暗物质实验方面世界上最灵敏的暗物质实验结果。 

作为现代物理学前沿课题的暗物质研究

    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,宇宙物质质量中,普通物质约占15%,其余85%是不发光的暗物质。人类通过几百年的系统科学研究,对普通物质有了广泛和深入的了解,基本可以由粒子物理学标准模型来描述。但对于超出粒子物理标准模型以外的暗物质,目前人类的认识还远远不够。暗物质研究是当前粒子物理学、天体物理学研究领域中最前沿、最基础、最重要的研究课题之一,其研究成果将带来人类认识宇宙的重大飞跃,有可能导致新的物理学革命,极大地改变人类对于物质世界的认识。

  国际上,暗物质研究主要有直接探测和间接探测两种方法,直接探测实验可以使科学家深入和直接地了解暗物质的基本特性,是最重要的一类暗物质实验。国际上有很多个实验组采用直接探测法进行暗物质粒子WIMP探测的实验,其中,近年来在暗物质直接探测实验研究中取得了重要实验结果的几个代表性研究组包括美国的CDMS实验、CoGeNT实验、LUX实验以及美国和欧洲合作的XENON实验等。在这些实验组里,两种最主要的探测方案就是高纯锗实验(CDMS和CoGeNT)和液氙实验(XENONLUX)。

    据悉,由于暗物质粒子与探测器发生相互作用的几率非常小,因此开展探测实验时需要将大量的背景信号去掉,才可能测量到真正的暗物质。对暗物质探测灵敏度影响最大的因素之一,就是探测器及周围材料的放射性本底水平。高纯锗探测器由纯度高达99.9999999999%(简称129)的高纯锗晶体制成,是目前人类可以得到的纯度最高的晶体材料,是一种非常好的高纯探测器靶材料。同时,暗物质探测实验还需要将探测器放置在很深的地下实验室里,利用巨大的山体岩石或地表土壤将高能量的宇宙线通量尽可能降低。

十年积累步入国际先进水平

    根据暗物质相关理论,降低探测器能量阈值,可以大幅度提高探测器的灵敏度,从而扩展暗物质探测的质量下限,从目前的10GeV以上降低到1GeV的水平。基于这些理论,清华大学的研究人员通过理论研究和分析,于2003年就在国际上率先提出利用极低能量阈高纯锗探测器探测较低能量范围的暗物质粒子的研究计划。该计划所利用的极低能量阈高纯锗探测器的能量阈可以达到约200-300eV,不仅能够探测能量较高的暗物质粒子,还能够对质量小于10GeV的低能量区间暗物质粒子进行有效探测,大大扩展了暗物质直接探测的灵敏区域。同时,高纯锗探测器可以建造成大质量的模块化的探测器阵列系统,以进一步提高暗物质探测灵敏度,并能够进行暗物质信号年度调制效应的研究。

    2004年开始,清华大学分别与韩国首尔大学、台湾“中研院”合作开展了利用极低能量阈高纯锗探测器直接探测暗物质粒子的前期实验研究工作,发表了一系列探测器技术研究成果。这些实验成果采用了质量较小的高纯锗探测器,在10GeV以下区域取得了很好的暗物质探测灵敏度,大大扩展了暗物质直接探测实验的暗物质质量研究范围,将暗物质直接探测实验向低能区推进。

    基于前期研究基础并得益于世界最深的地下实验室——中国锦屏地下实验室的建成,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正式建立中国暗物质实验合作组(CDEX合作组),开始在锦屏地下实验室开展暗物质研究。CDEX合作组创新设计了质量约为1公斤的国际单体质量最大的点电极高纯锗探测器,与法国堪培拉锗探测器公司合作,成功生产了世界上首个公斤量级点电极探测器原型,并利用这个探测器在质量小于10GeV的暗物质研究热点能区开展了轻质量区暗物质直接探测实验研究。2013年,CDEX实验组在《物理评论D》(Physical Review D)上发表首个研究成果,这是我国首个自主开展暗物质实验研究的物理结果,其成果在低能区达到了国际一流水平,不仅填补了我国在该领域的研究空白,而且确立了CDEX实验组在国际暗物质探测领域内第一阵营的地位。

    随后,CDEX合作组在2013年研究的基础上,采用了超低本底碘化钠反符合系统,并创新发展了新的本底甄别方法,开展暗物质实验运行,利用这些实验数据得到了新的物理结果,其研究成果于20144月在国际学术论文预印本文献库(arXiv.org)发布,该研究论文则于1111日在《物理评论D》“快报”栏目(Physical Review D “Rapid Communication”)发表。这项研究成果在CDEX合作组2013年实验结果的基础上,把暗物质探测灵敏度提升了大约10倍,在与美国CoGeNT实验组相同的探测原理下,完全排除了该实验组过去多年来一直宣称的在轻质量暗物质区域发现暗物质存在的实验结果,是具有国际先进水平的暗物质探测灵敏度测量结果,对当前暗物质理论发展具有重要意义。

    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(John Ellis)评价该成果说:“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相互矛盾的情况下,中国CDEX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DAMA/LIBRA和美国CDMS-II暗物质实验的大部分区域。因此这是一个国际前沿水平的实验结果。”国际知名的高能物理学家、实验粒子物理学家赵政国院士表示:“非常高兴看到CDEX合作组发表了新的研究文章,报告了在中国锦屏地下实验室利用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。该结果利用相同的探测技术和靶材料把美国GoGeNT实验组给出的暗物质存在区域排除掉,这个实验结果给我非常深刻的印象。”

推动多领域自主研究与创新

    据CDEX合作组首席科学家、清华大学工程物理系康克军教授介绍,CDEX合作组的研究目标是在世界最深的中国锦屏地下实验室,利用单体质量约为1公斤、能量阈值约为300eV的点电极高纯锗探测器,建立起吨量级的模块化高纯锗探测器阵列系统,开展暗物质实验研究。预期在质量为10GeV以下的范围内,取得具有突破性的暗物质探测灵敏度测量结果,对当前暗物质理论进行重要检验。

    目前,CDEX合作组已经建立了一支包括70多位科学家,涵盖粒子物理实验、探测技术、电子学、数据获取、辐射防护、低本底测量、暗物质理论等诸多学科的研究队伍,并与台湾“中研院”物理研究所、韩国首尔大学、德国慕尼黑马普物理研究所等多个单位合作,汇集国内外的著名高校和研究所共同开展研究。

   参与CDEX研究的清华大学工程物理系副教授岳骞介绍说,CDEX合作组针对未来吨量级系统的高纯锗阵列特性和低温反符合系统的设计思路,正在建立10公斤左右的高纯锗阵列系统,是目前国际上最大质量的极低能量阈高纯锗探测器阵列,预计将于2015年在中国锦屏地下实验室开展正式的暗物质实验研究。这些研究进展将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,高纯锗探测器生产长期以来都由国外垄断,相对较高的成本限制了其大规模使用,而同时,我国是世界上锗材料储量最多的国家。为了自主地开展吨量级暗物质研究,CDEX合作组也在积极推进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关键技术的发展,研制高纯锗半导体探测器,为我国辐射防护、国土安全、海洋放射性检测以及基础前沿研究课题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的技术发展和提升。

  “未来几年,CDEX合作组将利用自主研制的高纯锗探测器建设10-100公斤量级的高纯锗阵列探测器系统,为最终建立吨量级高纯锗实验系统奠定坚实的技术基础。最终目标是利用吨量级高纯锗阵列系统,开展包括暗物质直接探测和双贝塔衰变等的多物理目标的大型低本底实验装置。”康克军说。

   CDEX合作组的研究得到了国家自然科学基金委、教育部、科技部、清华大学、四川大学、南开大学等单位的经费支持。