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搜寻“看不见”的暗物质南开科研再助力

大学作者：南开大学 2021-08-19 19:54:36

近日，在三年一度的马塞尔·格罗斯曼国际广义相对论大会上，中国锦屏地下实验室PandaX实验（“熊猫”实验）发言人刘江来教授公布了PandaX-4T实验的首个暗物质搜寻结果。此次结果基于PandaX-4T试运行95天的数据，用0.63吨•年的曝光量，再次刷新了暗物质反应截面的上限。

南开大学物理科学学院喻纯旭教授带领的科研团队在制冷循环系统的安装调试和低本底氪测量系统上，为该实验结果做出了突出贡献。

PandaX-4T 实验的首个暗物质搜寻结果，

再次刷新暗物质性质的边界值

喻纯旭介绍，他与科研团队成员主要围绕PandaX-4T实验的制冷循环系统和低本底氪测量系统开展工作。PandaX-4T探测器中共有5.6吨高纯氙气，其中灵敏区域中有3.7吨。对暗物质探测最为重要的就是降低本底的干扰。他们所参研的低本底氪测量系统可以测量探测器靶材料氙中极其微量的氪元素含量，测量灵敏度可达几个ppt量级，也就是一万亿个氙原子中即使含有几个氪原子，也能被该系统有效测量出来。低本底氪测量系统通过在离线精馏期间、灌氙之前以及探测器运行期间对氪含量的长期监控，保证了探测器在极低氪本底下的高质量取数要求。这为实验顺利完成，提供了重要保证。

图释：南开科研团队安装调试制冷循环系统

近百年的天文学和宇宙学的研究表明，宇宙中“看不见”的暗物质比我们已知的普通物质多了5倍多。科学家们普遍认为，暗物质是一种我们仍然未探测到的超出标准模型的新粒子，它与普通物质之间极有可能存在一种微弱的相互作用，对它的探测有可能打开粒子物理新的篇章。但由于可能存在的反应极其微弱，必须在极低本底的环境下（深地实验室）、利用超高灵敏度的探测器来搜寻这类暗物质“幽灵”。PandaX实验位于四川凉山州的中国锦屏地下实验室，上方岩石埋深达2400米，是世界上最大埋深、宇宙线本底最低的地下实验室。

PandaX采用二相型氙时间投影室探测器，来探测银河系内的高速运动暗物质粒子与氙核可能发生的碰撞。碰撞产生的电子离子对有一定比例会重新结合放出光子，被探测器中的光电倍增管探测到；另一部分逃逸电子受电场作用漂移到放大气体层被放大并探测到。PandaX系列实验已经在过去完成两代暗物质探测（120公斤的PandaX-I以及580公斤的PandaX-II），取得突出成果。