PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)是由上海交通大學(xué)牽頭，國內(nèi)多個(gè)合作單位包括北京大學(xué)、山東大學(xué)、中科院上海應(yīng)用物理研究所、中山大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等參與的首個(gè)大型液氙暗物質(zhì)地下直接探測實(shí)驗(yàn)。美國馬里蘭大學(xué)和密西根大學(xué)的科學(xué)家也參加了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)合作組由從馬里蘭大學(xué)回國的上海交通大學(xué)國家千人計(jì)劃專家季向東教授在2009年組建和領(lǐng)導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)室建在由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司開發(fā)的錦屏深地實(shí)驗(yàn)室之中。
根據(jù)最新天文學(xué)和宇宙學(xué)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(xué)家們普遍認(rèn)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(gè)作用能使物理學(xué)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(qiáng)子對撞機(jī)，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(gè)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(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)驗(yàn)首次采用了110個(gè)新型三英吋的光電倍增管來進(jìn)行記錄。
最新結(jié)果相當(dāng)于3.3萬公斤的氙原子在一天時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(qiáng)的約束。
這種探測實(shí)驗(yàn)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(huì)產(chǎn)生光電信號。即使把實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的辦法，進(jìn)行甄別，一一排除。最后剩下的可疑事件只有一個(gè)，該事件發(fā)生在北京時(shí)間2016年6月11號3點(diǎn)3分6秒。通過細(xì)致分析，這個(gè)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(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的上海交通大學(xué)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(gè)全新的探測器對所有探測到的事件進(jìn)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(tuán)隊(duì)放棄了所有周末休息時(shí)間，每天花十四小時(shí)以上分析和討論，在極短時(shí)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(xué)實(shí)驗(yàn)室里建造，可以對一個(gè)光子或一個(gè)電子進(jìn)行靈敏探測。這是全世界運(yùn)行中最大的暗物質(zhì)探測器，靈敏度也最高。在該首個(gè)100天的運(yùn)行后，PandaX合作組正繼續(xù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行更高靈敏度的探測，將在今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)領(lǐng)先世界探測水平。
PandaX實(shí)驗(yàn)所在的四川錦屏山是個(gè)人跡罕至的地方。實(shí)驗(yàn)室在17公里隧道的中央，在現(xiàn)場參與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室工作，包括春節(jié)和其它節(jié)假日。
負(fù)責(zé)二期實(shí)驗(yàn)運(yùn)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(yùn)行中遇到的各種問題，達(dá)到世界領(lǐng)先的靈敏度，心中是滿滿的幸福。對于一個(gè)科研工作者來說，還有什么比像這樣站在人類對自然認(rèn)知的邊緣再往外邁出一小步來的令人振奮。“談安迪在這個(gè)國際大會(huì)上報(bào)告了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析的過程。
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院高能物理研究所原所長、科技部十三五重大項(xiàng)目組組長陳和生表示，PandaX二期實(shí)驗(yàn)的最新結(jié)果表明，中國深地暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。
中國科學(xué)院院士、中國科技大學(xué)教授、著名高能物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家趙政國表示，PandaX二期暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)是國際當(dāng)前運(yùn)行中最大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)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(gè)結(jié)果表明，中國的科學(xué)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(huì)的科學(xué)家對PandaX實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)學(xué)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(shí)驗(yàn)室的Tiseni博士表示這次會(huì)議的“明星”是PandaX實(shí)驗(yàn)。
