【儀表網(wǎng) 發(fā)明科技控】2014年11月11日，當(dāng)大部分中國人沉浸在網(wǎng)購的喜悅中時，中國暗物質(zhì)實驗合作組的新研究成果被科學(xué)雜志《物理評論D》發(fā)表在其快報欄目中。研究團隊采用純材料——高純鍺晶體制成高純鍺探測器，從而把暗物質(zhì)探測靈敏度提升約10倍。這項研究成果將帶動中國新型半導(dǎo)體材料、低噪聲電子學(xué)、超低本底輻射屏蔽技術(shù)、低本底低溫制冷技術(shù)等多個領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和提升。
近年來，在輕質(zhì)量暗物質(zhì)區(qū)間有很多實驗結(jié)果相互矛盾。英國科學(xué)院院士、歐洲核子中心理論部教授約翰·艾力斯認(rèn)為，中國的這項研究成果非常明確地排除了美國CoGeNT實驗組給出的暗物質(zhì)區(qū)域，并且排除了意大利和美國兩家暗物質(zhì)實驗組的大部分區(qū)域。他稱，這是一個前沿水平的實驗結(jié)果。
所謂“暗物質(zhì)”是指不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)，目前人們只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)得知其存在。暗物質(zhì)研究是當(dāng)前粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)研究領(lǐng)域中前沿的研究課題之一。宇宙學(xué)研究表明，在宇宙物質(zhì)質(zhì)量中，普通物質(zhì)約占15%，其余85%是暗物質(zhì)。此研究將是人類認(rèn)識宇宙的一次重大飛躍，其研究成果將導(dǎo)致一場新的物理學(xué)革命，可能極大改變?nèi)祟悓τ谖镔|(zhì)世界的認(rèn)識。
2002年，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會的研究報告將暗物質(zhì)研究列為21世紀(jì)重要的11個物理學(xué)前沿研究課題。據(jù)悉，暗物質(zhì)研究極有可能在不久的將來取得重大研究突破。其研究成果將可能導(dǎo)致一場新的物理學(xué)革命，極大改變?nèi)祟悓τ谖镔|(zhì)世界的認(rèn)識。
目前上，暗物質(zhì)實驗主要有間接探測和直接探測兩種方法。直接探測使得科學(xué)家可以深入、直接了解暗物質(zhì)的基本特性，是重要的一類暗物質(zhì)實驗。上有多個實驗組采用直接探測法開展實驗，近年來取得了重要實驗結(jié)果的大多為歐美實驗組，其中主要的探測方案就是高純鍺實驗和液氙實驗。
中國暗物質(zhì)實驗合作組(CDEX)是由清華大學(xué)聯(lián)合四川大學(xué)、南開大學(xué)、中國原子能研究院、雅礱江流域開發(fā)有限公司等單位，于2009年建立的。從2010年開始，該合作組在世界深的中國錦屏地下實驗室，利用單體質(zhì)量約為1千克、能量閾值約為300電子伏(eV)的點接觸高純鍺探測器開展中國自主暗物質(zhì)直接研究工作，并于2013年獲得了研究成果。
在2013年研究基礎(chǔ)上，CDEX采用了超低本底碘化鈉反符合系統(tǒng)，創(chuàng)新發(fā)展了新的本底甄別方法，開展暗物質(zhì)實驗運行和研究，獲得了新的物理結(jié)果。這項新成果把暗物質(zhì)探測靈敏度提升了大約10倍。
中國暗物質(zhì)實驗合作組在質(zhì)量為10千兆電子伏(GeV)以下的范圍內(nèi)沒有探測到暗物質(zhì)信號，在更大范圍內(nèi)排除了當(dāng)前理論預(yù)期的暗物質(zhì)存在空間，這是目前水平的暗物質(zhì)探測靈敏度測量結(jié)果，是對當(dāng)前暗物質(zhì)理論進行的一次重要檢驗。
“如果將暗物質(zhì)粒子比喻成一條魚，在一個漫無邊際的海洋中存在。找到這條魚，就是找尋暗物質(zhì)的過程。”清華大學(xué)原副校長、中國暗物質(zhì)實驗合作組科學(xué)家康克軍教授介紹，“大約在2010年前后，由美國的芝加哥大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CoGeNT實驗組稱已在海洋深處的某個位置找到了這條‘魚’。盡管在此之后有不少國家的科研團隊對這一結(jié)論表示質(zhì)疑，可是因為探測器原理不同，很難推翻這一結(jié)論。直到我們的成果出現(xiàn)，我們采用與美國CoGeNT實驗組相同的探測原理，而且探測效率更高、實驗室宇宙線本底(自然狀態(tài)下的放射水平)更低。我們的實驗結(jié)果證明了美國CoGeNT實驗組所宣稱的那個區(qū)域是不可能有暗物質(zhì)粒子這條魚存在的，徹底推翻了他們的結(jié)論，為科學(xué)家指出了下一步找尋的范圍和方向。”
“我們在2400米的地下建設(shè)了一個世界上好、干凈的實驗室，在這里可以把宇宙射線強度降低到一億分之一。之后，將一個純度極高、單體質(zhì)量世界大、靈敏度極高的高純鍺探測器放到實驗室中，進行數(shù)據(jù)捕捉，同時再用優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理方法，將探測器內(nèi)部發(fā)生的有效事件與表面發(fā)生的干擾事件進行甄別，進一步去掉假信號，終得出物理結(jié)論。”康克軍介紹。
中國暗物質(zhì)實驗合作組用于建造高純鍺探測器的高純鍺晶體是人類目前生產(chǎn)的純的材料之一，純度高達(dá)99.9999999999%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它閃爍晶體材料和液化惰性氣體材料，是一種非常好的高純探測器靶材料。
清華大學(xué)研究人員2003年就在上提出用極低能量閾高純鍺探測器來探測較低能量范圍的暗物質(zhì)粒子的研究計劃。這種探測器的能量閾可以低至200—300電子伏，不僅能夠探測能量較高的暗物質(zhì)粒子，還能對質(zhì)量小于10千兆電子伏的低能量區(qū)間暗物質(zhì)粒子進行有效探測，大大擴展了當(dāng)前暗物質(zhì)直接實驗探測的靈敏區(qū)域。
據(jù)了解，高純鍺探測器因其成本相對較高，限制了大規(guī)模使用。中國是世界上鍺材料儲量多的國家，因此開展以高純鍺為探測器的大型暗物質(zhì)直接探測實驗，不僅可以推動中國的暗物質(zhì)研究，而且可以推動高純鍺探測器技術(shù)的自主創(chuàng)新，帶動國內(nèi)鍺生產(chǎn)工藝，特別是高純鍺晶體生長和處理工藝方面關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。
目前，CDEX正在建立上大質(zhì)量(10kg)的極低能量閾高純鍺探測器陣列，預(yù)計2015年將在錦屏地下實驗室開展正式暗物質(zhì)實驗研究。這些研究進展不僅把中國暗物質(zhì)研究水平提高到前沿水平，也為未來中國開展更大規(guī)模的極低本底實驗奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
康克軍表示，中國自主的暗物質(zhì)實驗才剛剛開始，這一成果不僅取得了前沿的暗物質(zhì)研究成果，同時帶動發(fā)展的先進高純鍺半導(dǎo)體探測器技術(shù)有助于打破技術(shù)壟斷，為中國輻射防護、國土安全、海洋放射性檢測以及基礎(chǔ)前沿研究課題等提供自主的測量設(shè)備，帶動中國新型半導(dǎo)體材料、低噪聲電子學(xué)、超低本底輻射屏蔽技術(shù)、低本底低溫制冷技術(shù)等多個領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和提升。
“或許，在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)，根據(jù)理論物理所提供的模型，我們依然沒有找到暗物質(zhì)，但我們的實驗過程也依然具有重要意義。”康克軍說：“這會啟迪世界的科學(xué)家在暗物質(zhì)尋找的過程中，開辟新的方向。”
