從1933年瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基提出“暗物質(zhì)”的概念，到20世紀(jì)70年代存在開始被認(rèn)可，暗物質(zhì)從此成為了探索宇宙中的一個重要課題。根據(jù)PLANCK（歐洲空間局和NASA共同發(fā)射的“普朗克”衛(wèi)星）2013 年和2015 年的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前宇宙中普通重子物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的4.9%，而暗物質(zhì)占了26.8%，剩下的68.3%為暗能量。

揭開“暗物質(zhì)”奧秘，極有可能帶來下一次物理學(xué)的革命。當(dāng)前粒子物理學(xué)和天文學(xué)界普遍認(rèn)為，暗物質(zhì)是繼中微子之后諾貝爾物理學(xué)獎的熱門。世界各地也陸續(xù)建立了多個暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)。

對于中國來說，雖然科學(xué)家們在理論研究和數(shù)值模擬，以及基于國際合作的實(shí)驗(yàn)研究方面都已取得了一些顯著的成果，但一直缺乏本土的大型探測實(shí)驗(yàn)。且暗物質(zhì)探測存在著激烈的國際競爭，中國的科學(xué)家們想后來居上搶占先機(jī)更是尤其困難。

不過幸運(yùn)的是，這樣的局面在2016年7月，被一只非典型性的“熊貓”打破了。

說“非典型”是因?yàn)檫@只“熊貓”并不會賣萌，也不是愛竹狂人，只是單單醉心于“暗物質(zhì)”探測無法自拔。它就是由上海交通大學(xué)主導(dǎo)開展的“PandaX”大型暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)。接下來我們要說的，則是關(guān)于它與一群中國年輕科學(xué)工作者們追逐“暗物質(zhì)”的質(zhì)樸而熱血故事。

學(xué)子歸來，逐夢的機(jī)遇

為了促進(jìn)國家的發(fā)展，2008年底中國發(fā)起了一場“海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃”簡稱“千人計(jì)劃”。主要是圍繞國家發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，用5到10年時間，為國家重點(diǎn)項(xiàng)目引進(jìn)2000名左右人才。在計(jì)劃的推動下，一批入選的海外精英游子懷著一腔熱血踏上了歸國旅程。

彼時任美國馬里蘭大學(xué)物理系教授、基礎(chǔ)物理研究中心主任的季向東教授也是其中之一，2009年初為全力發(fā)展基礎(chǔ)學(xué)科，上海交通大學(xué)聘請了他為物理系系主任。同時也陸續(xù)從德國、美國、英國引進(jìn)了一批從事粒子物理和宇宙物理研究的優(yōu)秀學(xué)者組成了科研團(tuán)隊(duì)。

上海交通大學(xué)

來源：求學(xué)通

近年，除了諾獎熱門中微子以外，暗物質(zhì)也一直備受關(guān)注。其研究對全人類來講意義深遠(yuǎn)，而中國作為大國，也應(yīng)當(dāng)在該領(lǐng)域?yàn)槭澜缱龀鱿喈?dāng)?shù)目蒲胸暙I(xiàn)。然而直至2009年，國內(nèi)實(shí)際的暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)還仍是空白。不過，這也讓交大物理系的科研團(tuán)隊(duì)看到了機(jī)遇。就當(dāng)前的暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)研究而言，創(chuàng)新的空間比較高，且極有可能成為在中國本土產(chǎn)生世界影響力的實(shí)驗(yàn)。

暗物質(zhì)作為天文學(xué)和宇宙學(xué)上假設(shè)的物質(zhì)形態(tài)，其中非相對論性粒子-冷暗物質(zhì)是暗物質(zhì)的主要成分。典型的冷暗物質(zhì)有質(zhì)量為GeV-TeV量級的弱作用重粒子（Weakly Interacting Massive Particle, WIMP）和質(zhì)量為μeV-keV量級的軸子（Axion）。WIMP作為冷暗物質(zhì)的主要候選者，其粒子物理學(xué)的探測手段共三種：自然界WIMP的直接探測、間接探測以及加速器實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生WIMP的探測。

其中一類利用液氙作為探測靶子的直接探測在近年成果明顯，對暗物質(zhì)也不斷做出了更強(qiáng)的限定。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目紤]后，項(xiàng)目組最終決定通過了利用在空氣中提純的惰性元素氙作為探測媒介來尋找暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方向。并取“粒子和天體物理氙探測器”（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）中的字母，將實(shí)驗(yàn)命名為“PandaX”（熊貓計(jì)劃）。

2009年， PandaX國際合作組由上海交通大學(xué)牽頭正式立項(xiàng)，包括山東大學(xué)、中科院上海應(yīng)用物理研究所、北京大學(xué)、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司、美國馬里蘭大學(xué)和美國密西根大學(xué)等的40多位研究人員也參與了其中，季向東教授為總負(fù)責(zé)人。

部分項(xiàng)目組成員

然而，團(tuán)隊(duì)中雖然有不少知名學(xué)者，但多分散各地且各自有獨(dú)立的研究。對于一個從零開始的大型試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)際的支撐和專職科研隊(duì)伍仍顯薄弱。為充實(shí)科研力量，交大物理系一批年輕的學(xué)生們也全身心投入了其中。

“幾乎所有的研究生都是從一年級開始（參與項(xiàng)目），逐漸成長起來?！盤andaX項(xiàng)目中交大特聘教授劉江來教授后來說到，“這對他們是極大的鍛煉，幾年下來在平臺建設(shè)上有了很大的提高，團(tuán)隊(duì)壯大了，我們第一批學(xué)生也已成長為了優(yōu)秀的青年骨干?！?/p>

而正是這樣一個年輕的團(tuán)隊(duì)，卻悄然拉開了世界液氙暗物質(zhì)直接探測領(lǐng)域“三足鼎立”*的序幕。

*意大利的XENON100、美國的LUX和中國的PandaX。

從零開始，“熊貓”的胎動

PandaX一期目標(biāo)是建造120kg液氙暗物質(zhì)探測器，而這也是我國首個百公斤級液氙大型暗物質(zhì)探測項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)幾乎從零基礎(chǔ)開始，探測器以及每一個子系統(tǒng)都需要購買零件后自行研制。面臨著激烈的國際競爭，項(xiàng)目一啟動便已進(jìn)入了分秒必爭的狀態(tài)，而創(chuàng)新技術(shù)、建立更高效和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，則是最有力的競爭手段。

實(shí)驗(yàn)采用了先進(jìn)的二相型氙技術(shù)，并研制開發(fā)了當(dāng)前最大的二相型氙時間漂移室，首次實(shí)現(xiàn)了平方米覆蓋、對178納米深紫外光高量子效率的光電探測陣列，光子采集率到達(dá)的11.7%的國際領(lǐng)先水平。

探測器示意

在液氙探測器的頂部和底部都密排了一層光電倍增管（濱松公司研制），作為光信號捕捉的“眼睛”

探測器中的液氙是由空氣提純制冷液化而來。在探測器工作的過程中為保持液氙的高純度，高效、穩(wěn)定且可承載大負(fù)荷工作量的循環(huán)系統(tǒng)是必要的。在科技部 973 暗物質(zhì)研究項(xiàng)目和包括基金委主任基金和重點(diǎn)項(xiàng)目的大力資助下，國際首個集成真空、制冷、循環(huán)提純?yōu)橐惑w的“制冷總線”（cooling bus）系統(tǒng)也在PandaX合作組中誕生，可維持噸級暗物質(zhì)探測器長期穩(wěn)定運(yùn)行，在液氙的環(huán)節(jié)解決了后顧之憂。

PandaX制冷系統(tǒng)

低本底也是暗物質(zhì)研究中另一個需要全面攻克的問題。PandaX實(shí)驗(yàn)已經(jīng)決定在被認(rèn)為國際宇宙射線最低的中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，環(huán)境方面可以說已經(jīng)獲得最大程度的保證。而實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身的放射性也需進(jìn)行最高程度的限制。

在夜以繼日的努力下，合作組的成員成功研發(fā)了放射性極低的特種不銹鋼作為探測器容器，同時通過對其他探測器材料的篩選和對氪85放射性本底的高效提純，實(shí)現(xiàn)國際暗物質(zhì)探測器中的最低本底水平（2.0×10-3/天/公斤/keV）。

另外在物理分析上，首次細(xì)致研究了偶然符合本底，并將“決策推進(jìn)樹”的分析技術(shù)運(yùn)用到液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步降低了實(shí)驗(yàn)本底。

PandaX一期探測器及部分子系統(tǒng)

籌備工作能夠迅速扎實(shí)的推進(jìn)，離不開PandaX合作組秉承的開放精神，十分注重對年輕一代科研人的培養(yǎng)。

當(dāng)時還是交大物理系博士的肖夢蛟，從PandaX項(xiàng)目一開始就投身其中，從每一根PMT的測試安裝到試驗(yàn)現(xiàn)場的整體把控，都印刻了他的身影。后來他也作為PandaX一期的現(xiàn)場負(fù)責(zé)人，全程活躍在實(shí)驗(yàn)工作中。而任用學(xué)生擔(dān)任現(xiàn)場負(fù)責(zé)人，這在任何一個國際合作組、國內(nèi)大型項(xiàng)目中都前所未有?？梢?，PandaX給予了優(yōu)秀年輕人們充足的機(jī)會和充分的信任，這無疑是對他們最大的鼓勵。學(xué)生們也淋漓盡致地發(fā)揮出了非同一般的拼搏精神，成為了項(xiàng)目中不可或缺的力量。

經(jīng)過3年左右的日夜奮戰(zhàn)，2012年7月合作組在上海交通大學(xué)完成了制冷設(shè)備、杜瓦系統(tǒng)內(nèi)外罐、首期120公斤級探測器的建造和初步調(diào)試。不過，項(xiàng)目組并沒有顧上舒一口氣，而是緊張地投入了下一階段的工作。他們的下一個征程將在一個位于地下2400米的地方開啟--中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。在那里，PandaX將正式地睜開了探尋暗物質(zhì)的“眼睛”。

地下2400米，執(zhí)著的堅(jiān)守

暗物質(zhì)的探測需要盡最大可能排除多種外來的信號干擾，因此探測器需要在一個“潔凈”的超低本底環(huán)境下開展工作。

2009-2010年，雅礱江流域水電開發(fā)有限公司和清華大學(xué)在四川錦屏山共同建設(shè)了中國首個極深地下實(shí)驗(yàn)室“中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”（CJPL）。2400米的垂直低放射性巖石覆蓋，形成了天然的屏蔽層，是目前世界上最深、宇宙線本底最低的地下實(shí)驗(yàn)室，獲得了國際注目。除了Nature雜志以《Dark-matter hunt gets deep》為題進(jìn)行了專題報道以外，2015年諾貝爾物理學(xué)獎得主阿瑟·麥克唐納也曾對實(shí)驗(yàn)室有過高度的評價。在這里運(yùn)行著兩個我國暗物質(zhì)大型直接探測實(shí)驗(yàn)，一個是清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX（高純鍺），另一個就是PandaX。

巍峨的錦屏山

清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX使用的是高純鍺探測器，2016年11月發(fā)表了獲得10GeV以下能區(qū)點(diǎn)電極高純鍺探測器暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的最靈敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果，受到世界關(guān)注。

雖然是實(shí)驗(yàn)的極佳場所，但對于人來講環(huán)境卻十分惡劣。實(shí)驗(yàn)室處在一條17公里隧道的中央，隧道在貫穿半年后洞壁還在一直冒水，必須穿著雨靴淌著一尺多深的水才能進(jìn)入，情況可想而知?！拔覀兙褪且谶@樣極端的環(huán)境下，爭取把暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)的精度做到極致。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人季向東教授曾這樣說道。

通往實(shí)驗(yàn)室的隧道

來源：華聲論壇

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室隧道

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室PandaX項(xiàng)目組

實(shí)驗(yàn)設(shè)備

來源：華聲論壇

完成初步調(diào)試的次月，即2012年8月，PandaX實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)抵四川錦屏實(shí)驗(yàn)室，在此之前，探測器屏蔽體也完成了搭建。自此到2014年初，實(shí)驗(yàn)組對整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了安裝和調(diào)試，以及兩次試運(yùn)行，成功測試了制冷系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并完成了對“二相型氙技術(shù)”的驗(yàn)證，對探測系統(tǒng)進(jìn)行了定標(biāo)和測試，得到了能夠檢測以往實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)到疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號所需要的低閾能。

PandaX一期主探測器（裝配中）

如此艱苦的環(huán)境下，在短短的一年半時間里，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的成員們扛下了巨大心理和工作壓力，出色地完成了該階段的任務(wù)。

自進(jìn)入錦屏后，在現(xiàn)場的成員們常期埋頭于實(shí)驗(yàn)，沒有任何假日而言，作為現(xiàn)場負(fù)責(zé)人的肖夢蛟更是如此。2013年中連續(xù)11個月無休讓他失去了和家人團(tuán)聚的機(jī)會，且每天都幾乎工作到凌晨2點(diǎn)。不足5小時的睡眠、洞內(nèi)的惡劣環(huán)境、高強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)工作……如此種種都不斷透支著他的身體。但肖依然事無巨細(xì)，踏實(shí)勤懇地完善著實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)工作。和現(xiàn)場的其他成員們一起，將PandaX進(jìn)入錦屏后最為關(guān)鍵的時期平穩(wěn)度過。這也為后來項(xiàng)目的一系列成果，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

PandaX一期現(xiàn)場負(fù)責(zé)人肖夢蛟與正在安裝的暗物質(zhì)探測器

設(shè)備檢查（PandaX實(shí)驗(yàn)員趙力）

來源：華聲論壇

在一切就緒后，PandaX一期探測器于2014年初開始正式運(yùn)行，并于8月24日發(fā)布了首批120公斤液氙探測器經(jīng)17天采集的數(shù)據(jù)，引來了國際暗物質(zhì)探測同行們關(guān)注的目光。

雖然并沒有捕捉到WIMPs的信號，但PandaX探測器顯示出的靈敏性甚至優(yōu)于了業(yè)內(nèi)的“老前輩”XENON100。《Science》雜志也很快發(fā)布了《探索暗物質(zhì)，中國團(tuán)隊(duì)迎頭趕上》的報道，將PandaX，將中國液氙暗物質(zhì)探測推到了國際暗物質(zhì)舞臺的聚光燈下。

PandaX一期成果對比

這個成果對合作組的成員來講無疑是巨大的鼓勵，不過他們并沒有就此止步，二期實(shí)驗(yàn)PandaX-II的準(zhǔn)備也在同期緊鑼密鼓地開展起來。

成果趕超，世界的矚目

探測器就如一張網(wǎng)，細(xì)密程度越高，捕捉到暗物質(zhì)的可能性就越大。為了達(dá)到更高的“密度”，合作組決定在PandaX-II中擴(kuò)大探測器的規(guī)模--建造當(dāng)前全球最大的500kg級液氙探測器。

PandaX-II探測器

繼續(xù)拿“網(wǎng)”來形容的話，合作組成員曾介紹，PandaX-II的“網(wǎng)格”只有10-46CM2那么大，相比一期實(shí)驗(yàn)小了10倍，比當(dāng)期上年的美國LUX實(shí)驗(yàn)小2倍。另外，探測器在容器材料、電極、光電倍增管等方面也有了進(jìn)一步的改進(jìn)。

探測器裝配

探測器中的光電探測部分

由新型的3英寸低溫低本底型光電倍增管（R11410，濱松公司研制）組成

這只“大網(wǎng)”在經(jīng)過了近2年的精心編制后，于2016年3月正式“下網(wǎng)”，歷時100天 “捕撈”，在6月底收網(wǎng)之時，一共獲得了3千萬次光信號事件。

PandaX-II 探測器

檢修討論（PandaX-II實(shí)驗(yàn)員：右-劉江來，左-肖翔，中-李紹莉）

來源：華聲論壇

然而這些事件究竟是小蝦米的水花還是真正大鯰魚的痕跡，團(tuán)隊(duì)還必須對它們進(jìn)行一一的甄別。而這次數(shù)據(jù)分析挑戰(zhàn)性最高的地方在于利用一個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”。

時間緊迫，想要在激烈的競爭中占得先機(jī)，必須盡快且精確地完成所有的分析工作。于是，實(shí)驗(yàn)組成員們再次放棄了所有周末和假期，每天花14小時以上的時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，在不到一個月的時間，就完成了所有的信號甄別，并成功排查了唯一一個可疑事件，確定了信號來源于探測材料的放射性而不是暗物質(zhì)。高靈敏的探測器就這樣，很干凈地排除了本底干擾。

在2016年7月21日晚上，PandaX負(fù)責(zé)人季向東博士于英國舉行的兩年一度的國際暗物質(zhì)大會上正式公布了PandaX二期運(yùn)行的第一個物理結(jié)果：

在3.3萬公斤氙原子/天的曝光量下，未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子，對可能的暗物質(zhì)粒子做出了最新的限制。

2016年7月發(fā)布的PandaX-II實(shí)驗(yàn)結(jié)果

這一結(jié)果進(jìn)一步推進(jìn)了暗物質(zhì)“性質(zhì)”的明晰，為其理論研究提供了非常重要的信息。而暗物質(zhì)探測的“前輩”也是領(lǐng)域中在以往較為領(lǐng)先的美國LUX，亦在當(dāng)天發(fā)布了探測器運(yùn)行332天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與PandaX-II在第一個階段的結(jié)果相當(dāng)。這樣再次體現(xiàn)了“新人”PandaX后來居上的氣勢和實(shí)力。

會中聚集的國際暗物質(zhì)研究“大?！眰儗@一結(jié)果反應(yīng)極其熱烈，讓PandaX一時間成為了全場的“明星”。美國能源部主持暗物質(zhì)項(xiàng)目的官員Salamon博士更是以“震驚”（stunning）來形容了自己的感受。9月19日，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也作為封面論及主編推薦（Editor's Suggestion），正式發(fā)表在了《物理學(xué)評論快報》中。（大約只有六分之一的發(fā)表論文會成為該高級學(xué)刊的主編推薦）。

PandaX能在這一刻為中國液氙暗物質(zhì)探測工作畫上濃墨重彩的一筆，離不開近7年以來一期、二期所有團(tuán)隊(duì)成員不分日夜的奮斗。而不論從項(xiàng)目成立的時間來講還是組成人員來講，PandaX都是一個年輕的團(tuán)隊(duì)。數(shù)據(jù)發(fā)布的第二天，上海交大召開了PandaX-II成果新聞發(fā)布會，這一天恰好是項(xiàng)目發(fā)言人劉江來教授的40歲生日，他在現(xiàn)場和大家一起度過了這富有意義的日子并欣慰和激動地一一讀出了PandaX中每一個優(yōu)秀“孩子”的名字，在他們之中，最小的成員也只有23歲。

交大發(fā)布會現(xiàn)場（右上：季向東教授在英國遠(yuǎn)程連線，右下：劉江來教授）

來源：上海交通大學(xué)新聞網(wǎng)

PandaX項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人季向東教授曾在受訪中說：“粒子物理探求的是物質(zhì)最深層次的奧秘，對未來的生活會發(fā)生怎樣的影響，我們現(xiàn)在還不得而知。就像電被發(fā)明時，人們尚無法想象后來的電視、電腦。但無論如何，每一個科學(xué)發(fā)現(xiàn)都使人們對物質(zhì)世界的認(rèn)識更進(jìn)一步，這是最了不起的事?！蹦壳暗某删蛯τ赑andaX團(tuán)隊(duì)來說也只是一個美好的開始，未來，這只非典型性“熊貓”將制造更大的 “捕捉網(wǎng)”，在錦屏繼續(xù)守候暗物質(zhì)的到來，為開拓人類對宇宙的認(rèn)知，開啟人類未來的可能性，做出一份貢獻(xiàn)。

Reference：

張新民,陳學(xué)雷.暗物質(zhì)、暗能量研究進(jìn)展及中國的機(jī)遇.中國科學(xué)院院刊.2011.05

直接探測暗物質(zhì),馬欣華,現(xiàn)代物理知識,23卷第6期,總138期

揭開大型暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)PandaX的神秘面紗,中國科學(xué),2014.7

上海交大季向東教授：要讓國際前沿科學(xué)在中國成為可能.上海交通大學(xué)新聞網(wǎng),2014.10.

http://news.sjtu.edu.cn/info/1006/352652.htm

中國暗物質(zhì)研究前景巨大 “一旦突破 可摘諾獎”,新浪財經(jīng)網(wǎng),2016.6.

http://finance.sina.com.cn/roll/2016-06-27/doc-ifxtmses1015544.shtml

中國暗物質(zhì)研究,中青學(xué)習(xí)在線.

http://www.cylol.com/html/science/zhkf/2011/0726/294.html

中國暗物質(zhì)探測的靈敏度達(dá)到世界最高水平,鳳凰資訊,2016.7

http://news.ifeng.com/a/20160723/49552329_0.shtml

寫在最后：

濱松已持續(xù)為世界多個液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)提供了光電探測技術(shù)，此次濱松中國作為連接濱松光電技術(shù)與PandaX項(xiàng)目的橋梁，也深感責(zé)任和榮耀。在這場未完的探索中，我們也將不懈努力，希冀為我國暗物質(zhì)探測科研事業(yè)做出更多的貢獻(xiàn)。