首页 >> 烛光闪耀 >> 上海交大季向东教授:要让国际前沿科学在中国成为可能

    在上海交大物理与天文系,无论是引进的青年人才还是本土成长起来的年轻才俊,一大批青年科学家汇聚于此,开创了很多世界最前沿的研究,取得了引发世界科学界关注的成果。对科学奥秘的浓厚兴趣,对真理的不懈追求让他们济济一堂共同为人类未来而求索。

  “一流的学科必须有一流的人才。”200919日,作为上海交通大学全力发展基础学科的重要举措,物理与天文系聘请国家“千人计划”入选者、原美国马里兰大学物理系教授、马里兰大学基础物理研究中心主任季向东担任了物理系系主任。季向东教授在物理系凝练学科发展方向、提升科研前沿、青年人才培养。交大物理学科的发展也由此全面加速。

  世界最前沿领域的中国烙印

  2014826日,《Science》杂志以《探索暗物质,中国团队迎头赶上》为题,报道了上海交大牵头的PandaX科研团队暗物质探索实验取得显著成果,该实验识别WIMPs(弱相互作用重离子)的灵敏度已经达到了国际上较为领先的水平。接受采访的国际上其他几个实验合作组肯定PandaX研究团队“在暗物质研究领域取得了非常快速的发展”。

  《Science》文章详细介绍了PandaX研究团队、研究项目以及实验的进展情况。文章称,PandaX 研究团队组建仅四年时间,建成了世界上最深的地下实验室,并利用120公斤重的液氙探测器经过17天的数据采集,没有捕捉到WIMPs的信号。相比于国外发展较早的XENON100实验,PandaX的首次探测结果在灵敏度上表现更佳,这意味着中国在暗物质研究领域正在进入角色。季向东教授表示:为了进一步探索发现WIMPs,我们将增高探测设备的圆柱形罐盖并加注更多的液氙。

  《Science》杂志同时介绍了国际上其他几个实验室情况,目前暗物质探索领域竞争激烈,PandaX研究团队还将继续努力以取得更大成果。

  PandaX(熊猫计划)是“粒子和天体物理氙探测器”(Particle AND Astrophysical Xenon Detector)的英文简写,是我国开展的首个百公斤级大型暗物质实验。实验利用在空气中提纯的惰性元素氙(Xe)作为探测媒介来寻找暗物质;由上海交通大学牵头,包括山东大学、中科院上海应用物理研究所、北京大学、雅砻江流域水电开发有限公司、美国马里兰大学和美国密西根大学的40多位研究人员参与。PandaX项目正式启动,使世界上液氙暗物质直接探测领域呈现“三足鼎立”之势。目前最有影响力的实验主要是在意大利Gran Sasso国家地下实验室进行的XENON100暗物质实验、美国南达科他州的大型地下氙项目LUX和中国锦屏山实验室的PandaX项目。

  暗物质正处于被发现的边缘,PandaX项目正吸引着越来越多的世界目光。季向东表示,“PandaX项目已进入实质性物理研究运行阶段,我们想要证明世界一流的暗物质研究在中国是可能的。”

  2400米下的执著探究

  2010年中国首个极深地下实验室“中国锦屏地下实验室”在四川雅砻江锦屏水电站投入使用,实验室垂直岩石覆盖约2400米,厚度居世界第一。这标志着中国已具备了世界一流的洁净、低辐射的物理学重大基础前沿研究的自主地下实验平台。为了躲避宇宙射线的干扰,PandaX实验就在这里进行。季向东清楚地记得第一次到锦屏山的日期:2009年的317日。那时,锦屏山隧道刚贯通半年多,洞壁一直在冒水。穿着长雨靴,淌着一尺多深的水,季向东进了隧道。他说:“我们就是要在这样极端的环境下,争取把暗物质探测实验的精度做到极致。”每天,上海交大暗物质实验组的常驻老师和学生,从隧道东出口的营地宿舍出发,坐车进入隧道的实验室。中午回宿舍吃饭后再进洞,直到晚上。季向东说,原来课题组曾计划中午不出洞,把饭带进实验室吃,这就可以省下路上奔波的时间。但试了之后发现,在这样与世隔绝的洞里从早待到晚,心理上有些扛不住。

  就是在这样艰苦的环境中,20127月,试验组完成了制冷设备、杜瓦系统内外罐、首期探测器的建造和初步调试。从2012年至2014年初,实验组对整个实验系统进行了安装和调试,完成了两次试运行,成功测试了制冷系统、电子学系统及数据采集系统,并完成了对“二相型氙技术”的验证,对探测系统进行了定标和测试,得到了能够检测以往实验发现到疑似轻质量暗物质信号所需要的低阈能。

  经过不懈地努力,今年824日,这个以中国科学家为主导的大型暗物质探测实验组PandaX在上海交通大学发布了使用120公斤级液氙探测器所获得的首批数据。实验结果对以往国际上发现的疑似轻质量暗物质信号提出质疑。

  PandaX合作组宣布,经过自今年5月开始的一个多月时间的运行,实验组设计和研制的120公斤级液氙探测器的灵敏度已经达到世界先进水平,能够对至今为止所有疑似暗物质探测实验所获得的数据信号进行高精度的验证。但是,PandaX合作组至今的探测尚未发现任何暗物质的事例,这个测量结果和一些其他实验所发现的轻质量暗物质疑似信号不兼容。

  季向东说,为揭开“暗物质之谜”,世界各国一直在“赛跑”。暗物质的直接探测实验已经在多个国家的地下实验室中开展了近 20 年,技术也日趋成熟。其中前十年基本上是在利用小型的探测器(几克到几十克)进行一些技术的研发工作。而最近十年,特别是利用液氙的探测技术被发展出来以后,暗物质的直接探测才进入了一个新的阶段。大型的(几十公斤,上百公斤)液氙探测器已经建造运行,吨级的实验也已经在建造中。最近实验结果的种种迹象表明,“我们正处在发现暗物质的边缘”。

  PandaX试验组的青年科学家们靠着共同的价值追求汇聚到了一起,取得了举世瞩目的成绩,这也是交大物理与天文系人才建设、上海交通大学人才强校战略实施的缩影。