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我国研究暗物质将最纯探测器灵敏度提升10倍

发明科技控中国仪表网2014年11月12日 16:19人气:6709

  【中国仪表网 发明科技控】2014年11月11日,当大部分中国人沉浸在网购的喜悦中时,中国暗物质实验合作组的最新研究成果被国际知名科学杂志《物理评论D》发表在其快报栏目中。研究团队采用最纯材料——高纯锗晶体制成高纯锗探测器,从而把暗物质探测灵敏度提升约10倍。这项研究成果将带动中国新型半导体材料、低噪声电子学、超低本底辐射屏蔽技术、低本底低温制冷技术等多个领域技术的发展和提升。

  
  近年来,在轻质量暗物质区间有很多实验结果相互矛盾。英国皇家科学院院士、欧洲核子中心理论部教授约翰·艾力斯认为,中国的这项研究成果非常明确地排除了美国CoGeNT实验组给出的暗物质区域,并且排除了意大利和美国两家权威暗物质实验组的大部分区域。他称,这是一个国际前沿水平的实验结果。
  
  所谓“暗物质”是指不发射任何光及电磁辐射的物质,目前人们只能通过引力产生的效应得知其存在。暗物质研究是当前粒子物理学、天体物理学研究领域中最前沿的研究课题之一。宇宙学研究表明,在宇宙物质质量中,普通物质约占15%,其余85%是暗物质。此研究将是人类认识宇宙的一次重大飞跃,其研究成果将导致一场新的物理学革命,可能极大改变人类对于物质世界的认识。
  
  2002年,美国国家科学技术委员会的研究报告将暗物质研究列为21世纪最重要的11个物理学前沿研究课题之首。据悉,暗物质研究极有可能在不久的将来取得重大研究突破。其研究成果将可能导致一场新的物理学革命,极大改变人类对于物质世界的认识。
  
  目前国际上,暗物质实验主要有间接探测和直接探测两种方法。直接探测使得科学家可以深入、直接了解暗物质的基本特性,是最重要的一类暗物质实验。国际上有多个实验组采用直接探测法开展实验,近年来取得了重要实验结果的大多为欧美实验组,其中最主要的探测方案就是高纯锗实验和液氙实验。
  
  中国暗物质实验合作组(CDEX)是由清华大学联合四川大学、南开大学、中国原子能研究院、雅砻江流域开发有限公司等单位,于2009年建立的。从2010年开始,该合作组率先在世界最深的中国锦屏地下实验室,利用单体质量约为1千克、能量阈值约为300电子伏(eV)的点接触高纯锗探测器开展中国自主暗物质直接研究工作,并于2013年获得了首个研究成果。
  
  在2013年研究基础上,CDEX采用了超低本底碘化钠反符合系统,创新发展了新的本底甄别方法,开展暗物质实验运行和研究,获得了新的物理结果。这项新成果把暗物质探测灵敏度提升了大约10倍。
  
  中国暗物质实验合作组在质量为10千兆电子伏(GeV)以下的范围内没有探测到暗物质信号,在更大范围内排除了当前理论预期的暗物质存在空间,这是目前国际领先水平的暗物质探测灵敏度测量结果,是对当前暗物质理论进行的一次重要检验。
  
  “如果将暗物质粒子比喻成一条鱼,在一个漫无边际的海洋中存在。找到这条鱼,就是找寻暗物质的过程。”清华大学原副校长、中国暗物质实验合作组首席科学家康克军教授介绍,“大约在2010年前后,由美国的芝加哥大学领导的CoGeNT实验组称已在海洋深处的某个位置找到了这条‘鱼’。尽管在此之后有不少国家的科研团队对这一结论表示质疑,可是因为探测器原理不同,很难推翻这一结论。直到我们的成果出现,我们采用与美国CoGeNT实验组相同的探测原理,而且探测效率更高、实验室宇宙线本底(自然状态下的放射水平)更低。我们的实验结果证明了美国CoGeNT实验组所宣称的那个区域是不可能有暗物质粒子这条鱼存在的,彻底推翻了他们的结论,为科学家指出了下一步找寻的范围和方向。”
  
  “我们在2400米的地下建设了一个世界上最好、最干净的实验室,在这里可以把宇宙射线强度降低到一亿分之一。之后,将一个纯度极高、单体质量世界最大、灵敏度极高的高纯锗探测器放到实验室中,进行数据捕捉,同时再用最优化的数据处理方法,将探测器内部发生的有效事件与表面发生的干扰事件进行甄别,进一步去掉假信号,最终得出物理结论。”康克军介绍。
  
  中国暗物质实验合作组用于建造高纯锗探测器的高纯锗晶体是人类目前生产的最纯的材料之一,纯度高达99.9999999999%,远远高于其它闪烁晶体材料和液化惰性气体材料,是一种非常好的高纯探测器靶材料。
  
  清华大学研究人员2003年就在国际上率先提出用极低能量阈高纯锗探测器来探测较低能量范围的暗物质粒子的研究计划。这种探测器的能量阈可以低至200—300电子伏,不仅能够探测能量较高的暗物质粒子,还能对质量小于10千兆电子伏的低能量区间暗物质粒子进行有效探测,大大扩展了当前暗物质直接实验探测的灵敏区域。
  
  据了解,高纯锗探测器因其成本相对较高,限制了大规模使用。中国是世界上锗材料储量最多的国家,因此开展以高纯锗为探测器的大型暗物质直接探测实验,不仅可以推动中国的暗物质研究,而且可以推动高纯锗探测器技术的自主创新,带动国内锗生产工艺,特别是高纯锗晶体生长和处理工艺方面关键技术的发展。
  
  目前,CDEX正在建立国际上最大质量(10kg)的极低能量阈高纯锗探测器阵列,预计2015年将在锦屏地下实验室开展正式暗物质实验研究。这些研究进展不仅把中国暗物质研究水平提高到国际前沿水平,也为未来中国开展更大规模的极低本底实验奠定坚实的技术基础。
  
  康克军表示,中国自主的暗物质实验才刚刚开始,这一成果不仅取得了国际前沿的暗物质研究成果,同时带动发展的先进高纯锗半导体探测器技术有助于打破技术垄断,为中国辐射防护、国土安全、海洋放射性检测以及基础前沿研究课题等提供自主的测量设备,带动中国新型半导体材料、低噪声电子学、超低本底辐射屏蔽技术、低本底低温制冷技术等多个领域技术的发展和提升。
  
  “或许,在未来相当长一段时间内,根据理论物理所提供的模型,我们依然没有找到暗物质,但我们的实验过程也依然具有重要意义。”康克军说:“这会启迪全世界的科学家在暗物质寻找的过程中,开辟新的方向。”
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