北京时间12月24日，上海交通大学牵头的PandaX合作组在《物理评论快报》以“编辑推荐”论文发表了PandaX-4T四吨级液氙探测实验今年夏天公布的首批暗物质搜寻结果[PRL 127, 261802 (2021)]（PRL文章中仅有约1/6是“编辑推荐”）。上海交通大学物理与天文学院助理教授孟月为本文的第一作者，物理与天文学院副教授周宁、中国科学技术大学研究员林箐和北京航空航天大学副教授周小朋为本文的通讯作者。美国物理学会《Physics》以“Tightening the Net on Two Kinds of Dark Matter”评论报道了PandaX-4T和另外一个轴子暗物质实验的最新结果。
在过去的10余年中，PandaX合作组在位于四川的锦屏地下实验室里，利用液氙探测器开展了一系列极其稀有信号的寻找，探索宇宙中超出标准模型的新物理现象，包括暗物质、马约拉纳中微子和天体中微子等。银河系中的暗物质可以穿透地球，达到地下实验室，和探测器中的氙原子发生相互作用并产生能量转移，在探测器中以氙原子发光和电离的形式表现出来。PandaX实验不断扫描暗物质参数空间，将探测灵敏度推进了近三个数量级，目前已经深入超对称等理论预言的区域。
PandaX-4T四吨级液氙实验是国际上首个投入运行的多吨级液氙探测实验，国际同类实验还有美国的LZ实验和欧洲的XENON实验。PandaX-4T在2021年上半年试运行的曝光量达到0.63吨-年，比PandaX-II二期实验提高了近2倍。合作组在PandaX-4T探测器中应用了一系列新开发的技术：研制了新一代超大尺寸高透光的时间投影室探测器，大幅提高了探测器电场的均匀性和电子信号放大率，从而实现高分辨率的信号重建；采用了无触发数据读出方式，有效降低了微弱信号的探测阈值；研制了新型低温精馏氙系统，成功提纯6吨原料氙，将放射性杂质氪85的含量比PandaX-II降低了20倍；有效利用液氙自屏蔽并结合多种放射性测量方法和表面清洗工艺，将单位探测靶中放射性本底控制到PandaX-II的20分之一，放射性杂质氡222的含量降低了6倍。通过这些新技术，PandaX-4T首批数据的探测灵敏度较PandaX-II提升了2.6倍，最终给出了大质量暗物质参数空间国际最强的限制。这批数据也显示，在10GeV以下区域，PandaX-4T实验开始触碰到所谓的“中微子地板”，即有可能探测到太阳中核聚变产生的硼8中微子同氙原子核的相干散射信号，这种散射将是未来探测中微子的一个重要途径。
周宁副教授作为PandaX实验的副发言人，负责了时间投影室探测器的设计和研制工作，同时是现场实验运行和这次数据分析的负责人，他表示：在2016年第二代PandaX-II实验开始运行后，合作组便开始酝酿第三代的PandaX-4T实验。从2017年开始建设基础设施，到2019年探测器进驻锦屏地下实验室安装，在激烈的国际竞争态势下率先发表科学成果，合作组经历了五年多的持续努力，克服了多种严峻挑战，也得到了上海交通大学的鼎立支持。在疫情时期，PandaX-4T实验广大师生在实验室封闭管理下长期坚守，稳步推进建设，终于在2020年12月完成全部系统的安装和联合调试，进入试运行阶段，共稳定采集了95天的物理数据。PandaX-4T从实验基础设施到探测器均是全新的自研装置，探测器试运行表现良好，充分体现了团队从探测器设计到研制过程中的匠心。随后，数据分析团队连续奋战，通过细致的刻度数据研究，发掘出暗物质信号和本底的特征，构建了信号响应和本底模型，仅用两个多月的时间就完成了首批数据的暗物质搜寻，取得了世界领先的科学成果。
试运行完成后，PandaX-4T开展了对探测器本底的提纯工作，以期提升探测器的灵敏度。另一方面，合作组也在利用首批数据开展马约拉纳中微子等多物理目标的探测。PandaX-4T预计将采集6吨-年曝光量的数据，使得灵敏度将再提升一个数量级，对各种新物理信号给出广泛和确切的检验。PandaX 实验的合作单位包括山东大学、北京大学、中国科学技术大学、中山大学、北京航空航天大学、南开大学、复旦大学、原子能科学研究院以及雅砻江流域水电开发有限公司（雅砻江水电）等，共有70多位科研工作者参与，美国、法国、西班牙、泰国几家单位也参与国际合作。中国锦屏地下实验室由清华大学和雅砻江水电共同开发、管理，本研究工作得到了锦屏地下实验室的大力协助。PandaX实验得到教育部、上海交通大学、以及合作组单位的长期支持，自然科学基金委、科技部、上海市、四川省、中科院“粒子物理前沿”卓越创新中心、香港鸿文基金会和腾讯基金会都对本项目有重要资助。
探索发现 · 交大智慧