北京時間2016年7月21日晚，上海交通大學鴻文講席教授、中國錦屏地下實驗室 PandaX(熊貓計劃)實驗負責人季向東博士在英國舉行的兩年一度的國際暗物質(zhì)大會上正式公布了PandaX二期500公斤級液氙暗物質(zhì)探測器運行的第一個物理結(jié)果，在3.3萬公斤·天的曝光量下，未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子蹤跡，對可能的暗物質(zhì)候選對象得出了最新的限制。這一探測的靈敏度處于當前世界最高水平。

PandaX 暗物質(zhì)實驗是由上海交通大學牽頭，國內(nèi)多個合作單位包括北京大學、山東大學、中科院上海應(yīng)用物理研究所、中山大學、中國科學技術(shù)大學、中國原子能科學研究院和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等參與的首個大型液氙暗物質(zhì)地下直接探測實驗。美國馬里蘭大學和密西根大學的科學家也參加了這個實驗。實驗合作組由從馬里蘭大學回國的上海交通大學國家千人計劃專家季向東教授在2009年組建和領(lǐng)導。實驗室建在由清華大學和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司開發(fā)的錦屏深地實驗室之中。

根據(jù)最新天文學和宇宙學的研究，暗物質(zhì)代表了宇宙中約85%的物質(zhì)含量。但是，由于與普通物質(zhì)沒有直接電磁相互作用，所以暗物質(zhì)不發(fā)光，類似于“幽靈”，無法用通常的辦法看到。

科學家們普遍認為，暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)之間極有可能存在一種微弱的相互作用。這個作用能使物理學家通過衛(wèi)星上的探測器，如中國最近發(fā)射的“悟空”，或是發(fā)現(xiàn)上帝粒子的歐洲核子中心大強子對撞機，或是類似PandaX的深地暗物質(zhì)探測器來尋找暗物質(zhì)。但這個作用太過微弱，暗物質(zhì)粒子可以輕松穿過地球，這使探測起來異常困難。

PandaX實驗用氙原子作為探測靶子，采取 “守株待兔”的方式，探測彌散在地球周圍的成千上萬億的暗物質(zhì)粒子可能碰撞到氙原子上而發(fā)生的微弱信號。碰撞會轉(zhuǎn)化為氙原子的反沖能，在探測器中發(fā)光、發(fā)電。光和電信號都可以通過靈敏的光電管作為“事件”記錄下來。PandaX實驗首次采用了110個新型三英吋的光電倍增管來進行記錄。最新結(jié)果相當于3.3萬公斤的氙原子在一天時間內(nèi)沒有和這些暗物質(zhì)粒子發(fā)生過一次碰撞，或者一公斤的氙原子在3.3萬天里沒有發(fā)生過一次碰撞。這對可能的暗物質(zhì)粒子作出前所未有的實驗限制。而這些限制使暗物質(zhì)粒子的“性質(zhì)”越來越明確，這對暗物質(zhì)理論研究提供了非常重要的信息。事實上，過去的暗物質(zhì)探測結(jié)果已經(jīng)排除了多種暗物質(zhì)理論，而最流行的超對稱暗物質(zhì)理論也已受到越來越強的約束。

這種探測實驗最困難的地方是探測器中可能存在多種外來干擾，這些干擾也會產(chǎn)生光電信號。即使把實驗室建在2400米深的山體下，用上百噸的高純材料把探測器層層包圍起來(這些對暗物質(zhì)探測毫無影響)，在從2016年3月到6月底近100天的運行中，PandaX探測器記錄了約3千萬次的事件。這些事件可以高效地通過計算機數(shù)據(jù)處理的辦法，進行甄別，一一排除。最后剩下的可疑事件只有一個，該事件發(fā)生在北京時間2016年6月11號3點3分6秒。通過細致分析，這個事件來源于探測材料的放射性，而不是暗物質(zhì)。能這樣很干凈地排除本底干擾顯示出PandaX探測器在暗物質(zhì)探測方面巨大的優(yōu)越性。

負責實驗數(shù)據(jù)分析的上海交通大學特聘教授劉江來表示，這次數(shù)據(jù)分析挑戰(zhàn)性最高的地方在于利用一個全新的探測器對所有探測到的事件進行“模式識別”，用前所未有的精度來甄別暗物質(zhì)信號和背景“噪聲”。由于國際競爭的緊迫性，在PandaX的分析團隊放棄了所有周末休息時間，每天花十四小時以上分析和討論，在極短時間內(nèi)完成了數(shù)據(jù)分析工作。

PandaX 所用的500公斤級探測器是PandaX合作組自主研發(fā)的，在上海交通大學實驗室里建造，可以對一個光子或一個電子進行靈敏探測。這是全世界運行中最大的暗物質(zhì)探測器，靈敏度也最高。在該首個100天的運行后，PandaX合作組正繼續(xù)采集數(shù)據(jù)進行更高靈敏度的探測，將在今后一個時期內(nèi)領(lǐng)先世界探測水平。

PandaX實驗所在的四川錦屏山是個人跡罕至的地方。實驗室在17公里隧道的中央，在現(xiàn)場參與實驗工作的生活條件比較艱苦。PandaX合作組成員從2012年起有多位成員常年在該實驗室工作，包括春節(jié)和其它節(jié)假日。負責二期實驗運行的博士生談安迪在錦屏連續(xù)工作三百多天，他表示，“經(jīng)歷諸多挫折與內(nèi)心的煎熬，最終攻克探測器研發(fā)與運行中遇到的各種問題，達到世界領(lǐng)先的靈敏度，心中是滿滿的幸福。對于一個科研工作者來說，還有什么比像這樣站在人類對自然認知的邊緣再往外邁出一小步來的令人振奮。“談安迪在這個國際大會上報告了實驗數(shù)據(jù)詳細分析的過程。

中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所原所長、科技部十三五重大項目組組長陳和生表示，PandaX二期實驗的最新結(jié)果表明，中國深地暗物質(zhì)探測實驗已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。

中國科學院院士、中國科技大學教授、著名高能物理實驗學家趙政國表示，PandaX二期暗物質(zhì)實驗是國際當前運行中最大規(guī)模的實驗。在這個國際競爭如此激烈的領(lǐng)域，他們利用短短100天的數(shù)據(jù)便得到了國際領(lǐng)先的對暗物質(zhì)和普通物質(zhì)作用的上限，難能可貴，可喜可賀!這個結(jié)果表明，中國的科學家在探索宇宙、探索自然的最尖端領(lǐng)域，在中國本土也可以做出國際領(lǐng)先的成就。

參加國際暗物質(zhì)大會的科學家對PandaX實驗組的結(jié)果反應(yīng)非常熱烈，紛紛表示祝賀。美國能源部主持暗物質(zhì)項目的官員Salamon博士表示對PandaX的結(jié)果令人震驚(stunning)。著名的法國原子能院實驗學家Giomataris博士表示PandaX的結(jié)果非常引人注目(impressive)。 國際XENON合作組成員、荷蘭國家實驗室的Tiseni博士表示這次會議的“明星”是PandaX實驗。

PandaX實驗受到教育部、上海交通大學、中國錦屏地下實驗室以及其他合作單位的大力支持。科技部、中國自然科學基金委，以及上海市科委和香港鴻文基金會都對PandaX項目有重要資助。

（本文原發(fā)布于上海交通大學微信公眾號）