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上海交通大学物理与天文学院的赵力助理研究员与刘江来教授最近在受邀在Frontiers of Physics杂志以“Experimental search for dark matter in China”（中国的暗物质实验寻找）为题发表了Topical Review(科学综述)【Li Zhao, Jianglai Liu, Front. Phys. 15(4), 44301 (2020), arXiv:2004.04547(11 pages)】。暗物质作为当前物理学与天文学中的最大谜团之一，至今还没揭开谜底。为了寻找暗物质粒子存在的证据，全世界科学家进行着各种各样的实验，早期的实验主要集中在欧美等国家。我国的科学家大约在十年前才开始暗物质实验探测，但已经取得了多项有高影响力的实验结果，不仅填补我国在该领域的空白，也赢得国际同行的高度关注。

该文概述了近十年在中国进行的暗物质探测实验项目（直接探测实验：PandaX和CDEX；间接探测实验：暗物质卫星“悟空号”DAMPE）以及它们取得的重要进展，并进一步讨论了各个项目的最新实验结果和未来的实验规划。

图1. PandaX在锦屏实验室一期的探测装置

探索物质世界（大自然和宇宙）的奥秘一直以来是物理学家前进的动力，当前暗物质就是奥秘之一。上海交通大学牵头的液氙探测实验PandaX，合作组成立于2009年，2012年进驻位于四川凉山州的中国地下锦屏实验室一期（CJPL-I），其探测装置如图1中所示，外围为屏蔽体和配套设施，屏蔽体包括聚乙烯（PE）板，铅块层以及高纯无氧铜板和无氧铜真空罐；配套设施包括数据获取系统，氙制冷和在线提纯等。铜罐内的中心探测器分两个阶段PandaX-I和PandaX-II，它们分别于2014年和2019年完成运行。2015年发表的PandaX-I实验结果排除国际实验DAMA-LIBRA,CoGeNT, CRESST-II 和CDMS-SI的信号区域，为该实验的里程碑式的结果。2017年发表的PandaX-II实验结果，给出了当时国际上WIMP暗物质粒子质量大于100GeV/c²的最强限制反应截面区间。目前上海交通大学主导的下一代暗物质探测器PandaX-4T已经在中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）开展测试运行。同时，依托李政道研究所平台，对未来终极多功能探测器（暗物质和无中微子双贝塔衰变）的关键技术进行预研。

图2. CDEX在锦屏一期实验室中的装置照片，来自于央视短视频

另一个中国直接探测暗物质实验CDEX合作组，由清华大学主导，成立于2009年，实验也在中国锦屏实验室开展。该实验着重探测低质量的WIMPs暗物质粒子（<10GeV/c²）。CDEX实验装置如图2所示，这里为外围屏蔽1米厚聚乙烯板房的内部情况，内层屏蔽体还包含铅墙，聚乙烯板和无氧铜板。中心探测器为P型点电极高纯锗探测器（PPCGe）。经过多年积累的公斤级锗探测器实验数据CDEX-1A 和CDEX-1B的实验结果很好地排除了国际实验CoGeNT和DAM-LIBRA的暗物质信号区域和年调制。而升级后的探测器CDEX-10（10KG锗探测器）在2018年发表了对于5GeV/c²暗物质粒子WIMP的反应截面限制8´10^-42cm²，当时在该质量区国际领先。该合作组的未来长远计划是要发展吨级锗探测器和其关键技术，用于探测暗物质和无中微子双贝塔衰变。

图3. 暗物质卫星“悟空号”2015年12月17日升空时的照片，来自新华网

科学家们不仅在想方设法地进行暗物质直接探测，还在尝试通过寻找暗物质的衰变产物来进行间接探测。国内的暗物质卫星“悟空号”DAMPE就是这方面的探测器，该实验主要是探测太空中的高能电子和光子，并具备更高的能量分辨率和更宽的探测能区。“悟空号”2015年发射升空（图3），2017年在《Nature》上发表了最新实验结果，对于正负电子（e⁺e^-）能谱，其违反了幂律分布，并在1.4TeV处发现新的结构，引起国际上众多理论物理学家的理论探讨。目前该实验还在收集更多的实验数据，减少统计误差，也在考虑后期的升级计划。

文章链接：http://journal.hep.com.cn/fop/EN/10.1007/s11467-020-0960-x