从1933年瑞士天文学家弗里茨·兹威基提出“暗物质”的概念，到20世纪70年代存在开始被认可，暗物质从此成为了探索宇宙中的一个重要课题。根据PLANCK（欧洲空间局和NASA共同发射的“普朗克”卫星）2013 年和2015 年的数据显示，当前宇宙中普通重子物质只占宇宙质量的4.9%，而暗物质占了26.8%，剩下的68.3%为暗能量。
揭开“暗物质”奥秘，极有可能带来下一次物理学的革命。当前粒子物理学和天文学界普遍认为，暗物质是继中微子之后诺贝尔物理学奖的热门。世界各地也陆续建立了多个暗物质探测实验。
对于中国来说，虽然科学家们在理论研究和数值模拟，以及基于国际合作的实验研究方面都已取得了一些显著的成果，但一直缺乏本土的大型探测实验。且暗物质探测存在着激烈的国际竞争，中国的科学家们想后来居上抢占先机更是尤其困难。
不过幸运的是，这样的局面在2016年7月，被一只非典型性的“熊猫”打破了。
说“非典型”是因为这只“熊猫”并不会卖萌，也不是爱竹狂人，只是单单醉心于“暗物质”探测无法自拔。它就是由上海交通大学主导开展的“PandaX”大型暗物质探测实验。接下来我们要说的，则是关于它与一群中国年轻科学工作者们追逐“暗物质”的质朴而热血故事。
学子归来，逐梦的机遇
为了促进国家的发展，2008年底中国发起了一场“海外高层次人才引进计划”简称“千人计划”。主要是围绕国家发展战略目标，用5到10年时间，为国家重点项目引进2000名左右人才。在计划的推动下，一批入选的海外精英游子怀着一腔热血踏上了归国旅程。
彼时任美国马里兰大学物理系教授、基础物理研究中心主任的季向东教授也是其中之一，2009年初为全力发展基础学科，上海交通大学聘请了他为物理系系主任。同时也陆续从德国、美国、英国引进了一批从事粒子物理和宇宙物理研究的优秀学者组成了科研团队。
上海交通大学
来源：求学通
近年，除了诺奖热门中微子以外，暗物质也一直备受关注。其研究对全人类来讲意义深远，而中国作为大国，也应当在该领域为世界做出相当的科研贡献。然而直至2009年，国内实际的暗物质探测实验还仍是空白。不过，这也让交大物理系的科研团队看到了机遇。就当前的暗物质探测实验研究而言，创新的空间比较高，且极有可能成为在中国本土产生世界影响力的实验。
暗物质作为天文学和宇宙学上假设的物质形态，其中非相对论性粒子-冷暗物质是暗物质的主要成分。典型的冷暗物质有质量为GeV-TeV量级的弱作用重粒子（Weakly Interacting Massive Particle, WIMP）和质量为μeV-keV量级的轴子（Axion）。WIMP作为冷暗物质的主要候选者，其粒子物理学的探测手段共三种：自然界WIMP的直接探测、间接探测以及加速器实验产生WIMP的探测。
其中一类利用液氙作为探测靶子的直接探测在近年成果明显，对暗物质也不断做出了更强的限定。经过严谨的考虑后，项目组最终决定通过了利用在空气中提纯的惰性元素氙作为探测媒介来寻找暗物质的实验方向。并取“粒子和天体物理氙探测器”（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）中的字母，将实验命名为“PandaX”（熊猫计划）。
2009年， PandaX国际合作组由上海交通大学牵头正式立项，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等的40多位研究人员也参与了其中，季向东教授为总负责人。
部分项目组成员
然而，团队中虽然有不少知名学者，但多分散各地且各自有独立的研究。对于一个从零开始的大型试验项目，实际的支撑和专职科研队伍仍显薄弱。为充实科研力量，交大物理系一批年轻的学生们也全身心投入了其中。
“几乎所有的研究生都是从一年级开始（参与项目），逐渐成长起来。”PandaX项目中交大特聘教授刘江来教授后来说到，“这对他们是极大的锻炼，几年下来在平台建设上有了很大的提高，团队壮大了，我们第一批学生也已成长为了优秀的青年骨干。”
而正是这样一个年轻的团队，却悄然拉开了世界液氙暗物质直接探测领域“三足鼎立”*的序幕。
*意大利的XENON100、美国的LUX和中国的PandaX。
从零开始，“熊猫”的胎动
PandaX一期目标是建造120kg液氙暗物质探测器，而这也是我国首个百公斤级液氙大型暗物质探测项目，实验几乎从零基础开始，探测器以及每一个子系统都需要购买零件后自行研制。面临着激烈的国际竞争，项目一启动便已进入了分秒必争的状态，而创新技术、建立更高效和科学的实验方法，则是最有力的竞争手段。
实验采用了先进的二相型氙技术，并研制开发了当前最大的二相型氙时间漂移室，首次实现了平方米覆盖、对178纳米深紫外光高量子效率的光电探测阵列，光子采集率到达的11.7%的国际领先水平。
探测器示意
在液氙探测器的顶部和底部都密排了一层光电倍增管（滨松公司研制），作为光信号捕捉的“眼睛”
探测器中的液氙是由空气提纯制冷液化而来。在探测器工作的过程中为保持液氙的高纯度，高效、稳定且可承载大负荷工作量的循环系统是必要的。在科技部 973 暗物质研究项目和包括基金委主任基金和重点项目的大力资助下，国际首个集成真空、制冷、循环提纯为一体的“制冷总线”（cooling bus）系统也在PandaX合作组中诞生，可维持吨级暗物质探测器长期稳定运行，在液氙的环节解决了后顾之忧。
PandaX制冷系统
低本底也是暗物质研究中另一个需要全面攻克的问题。PandaX实验已经决定在被认为国际宇宙射线最低的中国锦屏地下实验室里进行，环境方面可以说已经获得最大程度的保证。而实验设备本身的放射性也需进行最高程度的限制。
在夜以继日的努力下，合作组的成员成功研发了放射性极低的特种不锈钢作为探测器容器，同时通过对其他探测器材料的筛选和对氪85放射性本底的高效提纯，实现国际暗物质探测器中的最低本底水平（2.0×10-3/天/公斤/keV）。
另外在物理分析上，首次细致研究了偶然符合本底，并将“决策推进树”的分析技术运用到液氙暗物质实验中，进一步降低了实验本底。
PandaX一期探测器及部分子系统
筹备工作能够迅速扎实的推进，离不开PandaX合作组秉承的开放精神，十分注重对年轻一代科研人的培养。
当时还是交大物理系博士的肖梦蛟，从PandaX项目一开始就投身其中，从每一根PMT的测试安装到试验现场的整体把控，都印刻了他的身影。后来他也作为PandaX一期的现场负责人，全程活跃在实验工作中。而任用学生担任现场负责人，这在任何一个国际合作组、国内大型项目中都前所未有。可见，PandaX给予了优秀年轻人们充足的机会和充分的信任，这无疑是对他们最大的鼓励。学生们也淋漓尽致地发挥出了非同一般的拼搏精神，成为了项目中不可或缺的力量。
经过3年左右的日夜奋战，2012年7月合作组在上海交通大学完成了制冷设备、杜瓦系统内外罐、首期120公斤级探测器的建造和初步调试。不过，项目组并没有顾上舒一口气，而是紧张地投入了下一阶段的工作。他们的下一个征程将在一个位于地下2400米的地方开启--中国锦屏地下实验室。在那里，PandaX将正式地睁开了探寻暗物质的“眼睛”。
地下2400米，执着的坚守
暗物质的探测需要尽最大可能排除多种外来的信号干扰，因此探测器需要在一个“洁净”的超低本底环境下开展工作。
2009-2010年，雅砻江流域水电开发有限公司和清华大学在四川锦屏山共同建设了中国首个极深地下实验室“中国锦屏地下实验室”（CJPL）。2400米的垂直低放射性岩石覆盖，形成了天然的屏蔽层，是目前世界上最深、宇宙线本底最低的地下实验室，获得了国际注目。除了Nature杂志以《Dark-matter hunt gets deep》为题进行了专题报道以外，2015年诺贝尔物理学奖得主阿瑟·麦克唐纳也曾对实验室有过高度的评价。在这里运行着两个我国暗物质大型直接探测实验，一个是清华大学主导的CDEX（高纯锗），另一个就是PandaX。
巍峨的锦屏山
清华大学主导的CDEX使用的是高纯锗探测器，2016年11月发表了获得10GeV以下能区点电极高纯锗探测器暗物质实验的最灵敏实验结果，受到世界关注。
虽然是实验的极佳场所，但对于人来讲环境却十分恶劣。实验室处在一条17公里隧道的中央，隧道在贯穿半年后洞壁还在一直冒水，必须穿着雨靴淌着一尺多深的水才能进入，情况可想而知。“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。”项目负责人季向东教授曾这样说道。
通往实验室的隧道
来源：华声论坛
锦屏地下实验室隧道
锦屏地下实验室PandaX项目组
实验设备
来源：华声论坛
完成初步调试的次月，即2012年8月，PandaX实验设备运抵四川锦屏实验室，在此之前，探测器屏蔽体也完成了搭建。自此到2014年初，实验组对整个实验系统进行了安装和调试，以及两次试运行，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。
PandaX一期主探测器（装配中）
如此艰苦的环境下，在短短的一年半时间里，实验现场的成员们扛下了巨大心理和工作压力，出色地完成了该阶段的任务。
自进入锦屏后，在现场的成员们常期埋头于实验，没有任何假日而言，作为现场负责人的肖梦蛟更是如此。2013年中连续11个月无休让他失去了和家人团聚的机会，且每天都几乎工作到凌晨2点。不足5小时的睡眠、洞内的恶劣环境、高强度的实验工作……如此种种都不断透支着他的身体。但肖依然事无巨细，踏实勤恳地完善着实验的各项工作。和现场的其他成员们一起，将PandaX进入锦屏后最为关键的时期平稳度过。这也为后来项目的一系列成果，打下了坚实的基础。
PandaX一期现场负责人肖梦蛟与正在安装的暗物质探测器
设备检查（PandaX实验员赵力）
来源：华声论坛
在一切就绪后，PandaX一期探测器于2014年初开始正式运行，并于8月24日发布了首批120公斤液氙探测器经17天采集的数据，引来了国际暗物质探测同行们关注的目光。
虽然并没有捕捉到WIMPs的信号，但PandaX探测器显示出的灵敏性甚至优于了业内的“老前辈”XENON100。《Science》杂志也很快发布了《探索暗物质，中国团队迎头赶上》的报道，将PandaX，将中国液氙暗物质探测推到了国际暗物质舞台的聚光灯下。
PandaX一期成果对比
这个成果对合作组的成员来讲无疑是巨大的鼓励，不过他们并没有就此止步，二期实验PandaX-II的准备也在同期紧锣密鼓地开展起来。
成果赶超，世界的瞩目
探测器就如一张网，细密程度越高，捕捉到暗物质的可能性就越大。为了达到更高的“密度”，合作组决定在PandaX-II中扩大探测器的规模--建造当前全球最大的500kg级液氙探测器。
PandaX-II探测器
继续拿“网”来形容的话，合作组成员曾介绍，PandaX-II的“网格”只有10-46CM2那么大，相比一期实验小了10倍，比当期上年的美国LUX实验小2倍。另外，探测器在容器材料、电极、光电倍增管等方面也有了进一步的改进。
探测器装配
探测器中的光电探测部分
由新型的3英寸低温低本底型光电倍增管（R11410，滨松公司研制）组成
这只“大网”在经过了近2年的精心编制后，于2016年3月正式“下网”，历时100天 “捕捞”，在6月底收网之时，一共获得了3千万次光信号事件。
PandaX-II 探测器
检修讨论（PandaX-II实验员：右-刘江来，左-肖翔，中-李绍莉）
来源：华声论坛
然而这些事件究竟是小虾米的水花还是真正大鲶鱼的痕迹，团队还必须对它们进行一一的甄别。而这次数据分析挑战性最高的地方在于利用一个全新的探测器对所有探测到的事件进行“模式识别”，用前所未有的精度来甄别暗物质信号和背景“噪声”。
时间紧迫，想要在激烈的竞争中占得先机，必须尽快且精确地完成所有的分析工作。于是，实验组成员们再次放弃了所有周末和假期，每天花14小时以上的时间对数据进行分析和讨论，在不到一个月的时间，就完成了所有的信号甄别，并成功排查了唯一一个可疑事件，确定了信号来源于探测材料的放射性而不是暗物质。高灵敏的探测器就这样，很干净地排除了本底干扰。
在2016年7月21日晚上，PandaX负责人季向东博士于英国举行的两年一度的国际暗物质大会上正式公布了PandaX二期运行的第一个物理结果：
在3.3万公斤氙原子/天的曝光量下，未发现暗物质粒子，对可能的暗物质粒子做出了最新的限制。
2016年7月发布的PandaX-II实验结果
这一结果进一步推进了暗物质“性质”的明晰，为其理论研究提供了非常重要的信息。而暗物质探测的“前辈”也是领域中在以往较为领先的美国LUX，亦在当天发布了探测器运行332天的实验数据，与PandaX-II在第一个阶段的结果相当。这样再次体现了“新人”PandaX后来居上的气势和实力。
会中聚集的国际暗物质研究“大牛”们对这一结果反应极其热烈，让PandaX一时间成为了全场的“明星”。美国能源部主持暗物质项目的官员Salamon博士更是以“震惊”（stunning）来形容了自己的感受。9月19日，实验结果也作为封面论及主编推荐（Editor's Suggestion），正式发表在了《物理学评论快报》中。（大约只有六分之一的发表论文会成为该高级学刊的主编推荐）。
PandaX能在这一刻为中国液氙暗物质探测工作画上浓墨重彩的一笔，离不开近7年以来一期、二期所有团队成员不分日夜的奋斗。而不论从项目成立的时间来讲还是组成人员来讲，PandaX都是一个年轻的团队。数据发布的第二天，上海交大召开了PandaX-II成果新闻发布会，这一天恰好是项目发言人刘江来教授的40岁生日，他在现场和大家一起度过了这富有意义的日子并欣慰和激动地一一读出了PandaX中每一个优秀“孩子”的名字，在他们之中，最小的成员也只有23岁。
交大发布会现场（右上：季向东教授在英国远程连线，右下：刘江来教授）
来源：上海交通大学新闻网
PandaX项目总负责人季向东教授曾在受访中说：“粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘，对未来的生活会发生怎样的影响，我们现在还不得而知。就像电被发明时，人们尚无法想象后来的电视、电脑。但无论如何，每一个科学发现都使人们对物质世界的认识更进一步，这是最了不起的事。”目前的成就对于PandaX团队来说也只是一个美好的开始，未来，这只非典型性“熊猫”将制造更大的 “捕捉网”，在锦屏继续守候暗物质的到来，为开拓人类对宇宙的认知，开启人类未来的可能性，做出一份贡献。
Reference：
张新民,陈学雷.暗物质、暗能量研究进展及中国的机遇.中国科学院院刊.2011.05
直接探测暗物质,马欣华,现代物理知识,23卷第6期,总138期
揭开大型暗物质实验PandaX的神秘面纱,中国科学,2014.7
上海交大季向东教授：要让国际前沿科学在中国成为可能.上海交通大学新闻网,2014.10.
http://news.sjtu.edu.cn/info/1006/352652.htm
中国暗物质研究前景巨大 “一旦突破 可摘诺奖”,新浪财经网,2016.6.
http://finance.sina.com.cn/roll/2016-06-27/doc-ifxtmses1015544.shtml
中国暗物质研究,中青学习在线.
http://www.cylol.com/html/science/zhkf/2011/0726/294.html
中国暗物质探测的灵敏度达到世界最高水平,凤凰资讯,2016.7
http://news.ifeng.com/a/20160723/49552329_0.shtml
写在最后：
滨松已持续为世界多个液氙暗物质实验提供了光电探测技术，此次滨松中国作为连接滨松光电技术与PandaX项目的桥梁，也深感责任和荣耀。在这场未完的探索中，我们也将不懈努力，希冀为我国暗物质探测科研事业做出更多的贡献。
(审核编辑: 林静)
