清华主导的CDEX暗物质实验合作组取得世界领先成果


清华新闻网6月14日电 6月12日,清华大学主导的中国暗物质实验(China Dark matter EXperiment, CDEX)合作组在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)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》(Limits on light WIMPs from the first 102.8 kg-days data of the CDEX-10 experiment)的研究论文。中国暗物质实验研究团队利用液氮直冷点电极高纯锗探测器在4-5 GeV范围内给出8×10-42cm2的自旋无关暗物质直接探测灵敏度,获得世界目前最好的结果。 

实验设备示意图

CDEX-10实验装置与自旋无关暗物质排除曲线

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。更严格地讲,就是不参与电磁相互作用和强相互作用,但依然能够施加引力影响的不可见物质。天文学的众多观测数据和结果表明,暗物质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十分重要的地位。

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。间接探测实验为了减少地球大气层的干扰,实验通常在太空进行,如于2015年底发射升空的“悟空”号暗物质粒子探测卫星。直接探测实验为了减少宇宙线的干扰,通常在地下实验室中进行。加速器实验则希望通过普通粒子的对撞来产生暗物质粒子。由于加速器实验要求将普通粒子加速到极高的能量,主要在欧洲核子中心的大型强子对撞机上进行。根据这三类探测方法的各自特点,我们可以将他们形象地比喻成“上天”“入地”和“人造暗物质”。

中国暗物质实验研究团队在中国锦屏地下实验室开展的暗物质直接探测研究属于“入地”。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。研究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。

高纯锗是一种半导体材料,纯度非常高,杂质浓度一般在1010原子/cm3的水平,相对纯度达到了99.9999999999%(俗称12个9),这一纯度是人们熟知的万足金(99.99%)的一千万倍。由于高纯锗的纯度很高,因此自身放射性水平很低。同时,由于其作为一种半导体探测器,平均电离能很小,能够获得比闪烁探测器和气体探测器好很多的能量分辨率和极低的能量阈值。基于以上特点,国际上若干实验组如CDEX(中国)、CoGeNT(美国)、SuperCDMS(美国)、EDELWEISS(欧洲)等均采用高纯锗晶体作为靶材料和探测器进行暗物质直接探测实验。

中国暗物质实验研究团队正式成立于2009年,由清华大学(工程物理系)主导,联合四川大学、南开大学、中国原子能科学研究院、北京师范大学、雅砻江流域水电开发有限公司等多家单位组成,使用点电极高纯锗探测器进行暗物质直接探测研究,计划未来使用吨量级的点电极高纯锗探测器阵列进行暗物质直接探测和无中微子双贝塔衰变的测量。 

CDEX合作组部分成员合影

研究团队于2010年起,在中国锦屏地下实验室(China JinPing underground Laboratory, CJPL)开始暗物质直接探测研究(CDEX-1)。合作组自主设计国际单体质量最大的1公斤级点电极高纯锗探测器单元,并在锦屏地下实验室中搭建了完整的实验系统开展实验,于2013年发表了暗物质问题提出八十多年来我国首个自主暗物质直接探测的物理结果,开始在暗物质直接探测的国际舞台上崭露头角。2014年,合作组利用反符合甄别技术和体事例/表面事例甄别方法,将自旋相关暗物质的灵敏度提高了一个量级,不仅得到了国际点电极高纯锗自旋相关暗物质探测实验的最好结果,而且完全排除了使用同类技术的美国CoGeNT实验组宣称的发现暗物质的区域(美国CoGeNT实验组的研究成果自2011年发表到现在,引用次数超过900次。),这也是暗物质直接探测历史上第一次对疑似暗物质事例的确定性排除。2018年初,合作组基于进一步降低阈值和本底水平的新型1公斤级点电极高纯锗探测器,又发表了4 GeV以下自旋相关暗物质探测国际最灵敏结果。

研究团队目前进行到第二阶段CDEX-10实验。与CDEX-1不同, CDEX-10替换了不利于提高探测器质量的冷指制冷技术,在国际上首次采用液氮直冷方式,使用由三串探测器(每串探测器内部包含了三个1公斤量级的点电极高纯锗探测器)构成的总质量约10 kg的点电极高纯锗探测器阵列进行暗物质直接探测实验。这项实验成果是CDEX-10实验的第一个物理成果。 

论文主要作者合影(左起:马豪、岳骞、杨丽桃、江灏)

中国暗物质实验研究团队目前正在锦屏地下实验室二期空间安装一个容积1700 m3的大型液氮恒温器,预计将于2018年底可以投入使用。届时,CDEX-10实验将会在该大型恒温器内运行,为未来吨量级暗物质直接探测实验奠定基础。

CJPL二期实验室及大型液氮恒温器

清华大学工程物理系岳骞研究员、马豪副研究员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。该研究工作得到了国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项、国家自然科学基金委杰出青年科学基金等项目经费资助,以及清华大学暗物质实验平台经费支持。

论文连接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.241301

供稿:工物系 编辑:华山 审核:襄楠 清柳

2018年06月14日 10:09:46  清华新闻网

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