【儀表網(wǎng) 發(fā)明科技控】2014年11月11日，當(dāng)大部分中國(guó)人沉浸在網(wǎng)購(gòu)的喜悅中時(shí)，中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組的新研究成果被科學(xué)雜志《物理評(píng)論D》發(fā)表在其快報(bào)欄目中。研究團(tuán)隊(duì)采用純材料——高純鍺晶體制成高純鍺探測(cè)器，從而把暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度提升約10倍。這項(xiàng)研究成果將帶動(dòng)中國(guó)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(gè)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和提升。
 

　　近年來(lái)，在輕質(zhì)量暗物質(zhì)區(qū)間有很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互矛盾。英國(guó)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(guó)的這項(xiàng)研究成果非常明確地排除了美國(guó)CoGeNT實(shí)驗(yàn)組給出的暗物質(zhì)區(qū)域，并且排除了意大利和美國(guó)兩家暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組的大部分區(qū)域。他稱，這是一個(gè)前沿水平的實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)宇宙的一次重大飛躍，其研究成果將導(dǎo)致一場(chǎng)新的物理學(xué)革命，可能極大改變?nèi)祟悓?duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。
 

　　2002年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的研究報(bào)告將暗物質(zhì)研究列為21世紀(jì)重要的11個(gè)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(lái)取得重大研究突破。其研究成果將可能導(dǎo)致一場(chǎng)新的物理學(xué)革命，極大改變?nèi)祟悓?duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。
 

　　目前上，暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)主要有間接探測(cè)和直接探測(cè)兩種方法。直接探測(cè)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(shí)驗(yàn)。上有多個(gè)實(shí)驗(yàn)組采用直接探測(cè)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，近年來(lái)取得了重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果的大多為歐美實(shí)驗(yàn)組，其中主要的探測(cè)方案就是高純鍺實(shí)驗(yàn)和液氙實(shí)驗(yàn)。
 

　　中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組(CDEX)是由清華大學(xué)聯(lián)合四川大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、中國(guó)原子能研究院、雅礱江流域開(kāi)發(fā)有限公司等單位，于2009年建立的。從2010年開(kāi)始，該合作組在世界深的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)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(diǎn)接觸高純鍺探測(cè)器開(kāi)展中國(guó)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(kāi)展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和研究，獲得了新的物理結(jié)果。這項(xiàng)新成果把暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度提升了大約10倍。
 

　　中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組在質(zhì)量為10千兆電子伏(GeV)以下的范圍內(nèi)沒(méi)有探測(cè)到暗物質(zhì)信號(hào)，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(cè)靈敏度測(cè)量結(jié)果，是對(duì)當(dāng)前暗物質(zhì)理論進(jìn)行的一次重要檢驗(yàn)。
 

　　“如果將暗物質(zhì)粒子比喻成一條魚(yú)，在一個(gè)漫無(wú)邊際的海洋中存在。找到這條魚(yú)，就是找尋暗物質(zhì)的過(guò)程。”清華大學(xué)原副校長(zhǎng)、中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組科學(xué)家康克軍教授介紹，“大約在2010年前后，由美國(guó)的芝加哥大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CoGeNT實(shí)驗(yàn)組稱已在海洋深處的某個(gè)位置找到了這條‘魚(yú)’。盡管在此之后有不少國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)這一結(jié)論表示質(zhì)疑，可是因?yàn)樘綔y(cè)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(guó)CoGeNT實(shí)驗(yàn)組相同的探測(cè)原理，而且探測(cè)效率更高、實(shí)驗(yàn)室宇宙線本底(自然狀態(tài)下的放射水平)更低。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了美國(guó)CoGeNT實(shí)驗(yàn)組所宣稱的那個(gè)區(qū)域是不可能有暗物質(zhì)粒子這條魚(yú)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?cè)?400米的地下建設(shè)了一個(gè)世界上好、干凈的實(shí)驗(yàn)室，在這里可以把宇宙射線強(qiáng)度降低到一億分之一。之后，將一個(gè)純度極高、單體質(zhì)量世界大、靈敏度極高的高純鍺探測(cè)器放到實(shí)驗(yàn)室中，進(jìn)行數(shù)據(jù)捕捉，同時(shí)再用優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理方法，將探測(cè)器內(nèi)部發(fā)生的有效事件與表面發(fā)生的干擾事件進(jìn)行甄別，進(jìn)一步去掉假信號(hào)，終得出物理結(jié)論。”康克軍介紹。
 

　　中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組用于建造高純鍺探測(cè)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(cè)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(cè)器來(lái)探測(cè)較低能量范圍的暗物質(zhì)粒子的研究計(jì)劃。這種探測(cè)器的能量閾可以低至200—300電子伏，不僅能夠探測(cè)能量較高的暗物質(zhì)粒子，還能對(duì)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(jìn)行有效探測(cè)，大大擴(kuò)展了當(dāng)前暗物質(zhì)直接實(shí)驗(yàn)探測(cè)的靈敏區(qū)域。
 

　　據(jù)了解，高純鍺探測(cè)器因其成本相對(duì)較高，限制了大規(guī)模使用。中國(guó)是世界上鍺材料儲(chǔ)量多的國(guó)家，因此開(kāi)展以高純鍺為探測(cè)器的大型暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，不僅可以推動(dòng)中國(guó)的暗物質(zhì)研究，而且可以推動(dòng)高純鍺探測(cè)器技術(shù)的自主創(chuàng)新，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)鍺生產(chǎn)工藝，特別是高純鍺晶體生長(zhǎng)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(cè)器陣列，預(yù)計(jì)2015年將在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展正式暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究。這些研究進(jìn)展不僅把中國(guó)暗物質(zhì)研究水平提高到前沿水平，也為未來(lái)中國(guó)開(kāi)展更大規(guī)模的極低本底實(shí)驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
 

　　康克軍表示，中國(guó)自主的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)才剛剛開(kāi)始，這一成果不僅取得了前沿的暗物質(zhì)研究成果，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)展的先進(jìn)高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器技術(shù)有助于打破技術(shù)壟斷，為中國(guó)輻射防護(hù)、國(guó)土安全、海洋放射性檢測(cè)以及基礎(chǔ)前沿研究課題等提供自主的測(cè)量設(shè)備，帶動(dòng)中國(guó)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(gè)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和提升。
 

　　“或許，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，根據(jù)理論物理所提供的模型，我們依然沒(méi)有找到暗物質(zhì)，但我們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程也依然具有重要意義。”康克軍說(shuō)：“這會(huì)啟迪世界的科學(xué)家在暗物質(zhì)尋找的過(guò)程中，開(kāi)辟新的方向。”