【儀表網 發明科技控】2014年11月11日，當大部分中國人沉浸在網購的喜悅中時，中國暗物質實驗合作組的新研究成果被科學雜志《物理評論D》發表在其快報欄目中。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體材料、低噪聲電子學、超低本底輻射屏蔽技術、低本底低溫制冷技術等多個領域技術的發展和提升。
 

　　近年來，在輕質量暗物質區間有很多實驗結果相互矛盾。英國科學院院士、歐洲核子中心理論部教授約翰·艾力斯認為，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區域，并且排除了意大利和美國兩家暗物質實驗組的大部分區域。他稱，這是一個前沿水平的實驗結果。
 

　　所謂“暗物質”是指不發射任何光及電磁輻射的物質，目前人們只能通過引力產生的效應得知其存在。暗物質研究是當前粒子物理學、天體物理學研究領域中前沿的研究課題之一。宇宙學研究表明，在宇宙物質質量中，普通物質約占15%，其余85%是暗物質。此研究將是人類認識宇宙的一次重大飛躍，其研究成果將導致一場新的物理學革命，可能極大改變人類對于物質世界的認識。
 

　　2002年，美國國家科學技術委員會的研究報告將暗物質研究列為21世紀重要的11個物理學前沿研究課題。據悉，暗物質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致一場新的物理學革命，極大改變人類對于物質世界的認識。
 

　　目前上，暗物質實驗主要有間接探測和直接探測兩種方法。直接探測使得科學家可以深入、直接了解暗物質的基本特性，是重要的一類暗物質實驗。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。
 

　　中國暗物質實驗合作組(CDEX)是由清華大學聯合四川大學、南開大學、中國原子能研究院、雅礱江流域開發有限公司等單位，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直接研究工作，并于2013年獲得了研究成果。
 

　　在2013年研究基礎上，CDEX采用了超低本底碘化鈉反符合系統，創新發展了新的本底甄別方法，開展暗物質實驗運行和研究，獲得了新的物理結果。這項新成果把暗物質探測靈敏度提升了大約10倍。
 

　　中國暗物質實驗合作組在質量為10千兆電子伏(GeV)以下的范圍內沒有探測到暗物質信號，在更大范圍內排除了當前理論預期的暗物質存在空間，這是目前水平的暗物質探測靈敏度測量結果，是對當前暗物質理論進行的一次重要檢驗。
 

　　“如果將暗物質粒子比喻成一條魚，在一個漫無邊際的海洋中存在。找到這條魚，就是找尋暗物質的過程。”清華大學原副校長、中國暗物質實驗合作組科學家康克軍教授介紹，“大約在2010年前后，由美國的芝加哥大學領導的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論表示質疑，可是因為探測器原理不同，很難推翻這一結論。直到我們的成果出現，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(自然狀態下的放射水平)更低。我們的實驗結果證明了美國CoGeNT實驗組所宣稱的那個區域是不可能有暗物質粒子這條魚存在的，徹底推翻了他們的結論，為科學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，進行數據捕捉，同時再用優化的數據處理方法，將探測器內部發生的有效事件與表面發生的干擾事件進行甄別，進一步去掉假信號，終得出物理結論。”康克軍介紹。
 

　　中國暗物質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的純的材料之一，純度高達99.9999999999%，遠遠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粒子，還能對質量小于10千兆電子伏的低能量區間暗物質粒子進行有效探測，大大擴展了當前暗物質直接實驗探測的靈敏區域。
 

　　據了解，高純鍺探測器因其成本相對較高，限制了大規模使用。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直接探測實驗，不僅可以推動中國的暗物質研究，而且可以推動高純鍺探測器技術的自主創新，帶動國內鍺生產工藝，特別是高純鍺晶體生長和處理工藝方面關鍵技術的發展。
 

　　目前，CDEX正在建立上大質量(10kg)的極低能量閾高純鍺探測器陣列，預計2015年將在錦屏地下實驗室開展正式暗物質實驗研究。這些研究進展不僅把中國暗物質研究水平提高到前沿水平，也為未來中國開展更大規模的極低本底實驗奠定堅實的技術基礎。
 

　　康克軍表示，中國自主的暗物質實驗才剛剛開始，這一成果不僅取得了前沿的暗物質研究成果，同時帶動發展的先進高純鍺半導體探測器技術有助于打破技術壟斷，為中國輻射防護、國土安全、海洋放射性檢測以及基礎前沿研究課題等提供自主的測量設備，帶動中國新型半導體材料、低噪聲電子學、超低本底輻射屏蔽技術、低本底低溫制冷技術等多個領域技術的發展和提升。
 

　　“或許，在未來相當長一段時間內，根據理論物理所提供的模型，我們依然沒有找到暗物質，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家在暗物質尋找的過程中，開辟新的方向。”