科研进展

PandaX-II合作组在《物理评论快报》上发表2017年最灵敏暗物质探测结果

上海交通大学季向东和刘江来教授领导的PandaX-II合作组最新的暗物质探测结果于2017年10月30日以“编辑推荐”文章在《物理评论快报》发表【Phys. Rev. Lett. 119, 181302】。该结果由季向东于今年8月8日在国际粒子天体物理大会上公布,8月24日投稿,9月20日被《快报》正式接受。基于目前世界上公开报道的最大的暗物质探测曝光量(54吨·天),PandaX-II给出的最低暗物质与质子、中子的自旋无关相互作用截面上限为8.6×10-47cm2(对应暗物质质量为40GeV/c2),并在暗物质质量大于100GeV/c2的大质量区间给出了目前国际上最强的测量限制,以高置信度排除了暗物质粒子与普通物质通过传递标准模型粒子相互作用的可能性。该结果比PandaX-II于2016年发表的当年最好结果的探测灵敏度提高了三倍。PandaX-II的国际竞争对手、意大利的XENON1T实验的首个结果(今年5月公布)也被发表在同一期的《物理评论快报》上。费米实验室的理论天体物理部主任DanHooper教授为PandaX-II和XENON1T的最新文章写作了“观点”(Viewpoint)评论,是该期刊最高规格的评论系列。

PandaX实验使用液氙作为探测器靶材料,在2014年完成120公斤级PandaX-I探测器的基础上,自主研制了580公斤的PandaX-II探测器,这是目前国际上最大的暗物质探测器之一,正在四川凉山州地下2500米深的中国锦屏地下实验室中运行。

暗物质探测的国际竞争非常激烈,所有实验组都期望率先发现暗物质粒子信号。已经结束运行的美国LUX合作组在今年1月发表过去四年运行的最终结果(见附图粉红线),超过了PandaX-II在2016年取得的世界最灵敏探测结果(见附图蓝线)。位于意大利的XENON1T是目前世界上运行中的最大的暗物质探测器,该实验合作组于今年5月公布了首个结果(见附图黑线),再次刷新世界纪录,但如今在三个月后又被中国体量仅为其三分之一的PandaX-II反超。目前PandaX-II的灵敏度已经深入了“弱相互作用重粒子”理论预言暗物质粒子存在的参数空间。

PandaX-II团队在2017年初对探测器进行了升级工作,将实验中的放射性本底降低至原来的三分之一。为了改善探测器性能,团队里多位研究人员长期在地下实验室工作,春节等节假日也没有休息。PandaX-II本期数据采集自2017年4月22日开始,至2017年7月15日结束,获得了77.1天的数据。加上首期获取的79.6天数据,PandaX-II总共的暗物质探测数据曝光量达到54吨·天,是目前世界上报道的最大的暗物质探测数据曝光量。这一阶段数据采集结束后,团队里多位研究工作者夜以继日完成了数据分析工作,在分析方法上采用了多项改进,利用多种刻度数据对探测器响应开展了细致的研究。最终筛选出177个低能散射事例,但没有一个符合暗物质散射的甄别条件,因此得到了暗物质和质子中子相互作用的最新上限(见附图红线)。

本研究工作得到了上海交通大学985三期建设、国家自然科学基金、科技部重点研发计划和上海市科技办公室的资助,并得到了李政道研究所、中国锦屏地下实验室、雅砻江流域水电开发有限公司、中科院粒子物理前沿卓越创新中心、以及香港鸿文基金会的支持。