粒子和天體物理氙探測器（英語：Particle and Astrophysical Xenon Detector，英語縮寫：PandaX[1]）是位於中國四川省錦屏水電站極深地下暗物質實驗室的暗物質探測器。實驗裝置位於地下約2400多米的地下實驗室中。2014年9月運行探測器的實驗組發布了使用120公斤級氙探測器獲得的首批實驗數據[2]。
參與者
該暗物質探測器項目由大約40名科學家組成的國際團隊負責運行。研究項目是由來自上海交通大學的講席教授、國家「千人計劃」專家季向東等研究者們牽頭組織的[3]，自2009年起由來自上海交通大學、山東大學、中國科學院上海應用物理研究所和中國科學院的科學家共同啟動了該研究項目，兩年後來自馬里蘭大學、北京大學和密西根大學的研究者相繼加入。粒子和天體物理學氙探測器的研究團隊也包含了來自二灘水電站的員工。
設計和建造
粒子和天體物理氙探測器是一個直接探測暗物質的實驗裝置。類似於XENO和LUX所用的裝置，PandaX使用的探測器藉助一個同時使用液氙和氙氣的二相型氙時間投影室來確定事件的位置並藉助錦屏山的岩石山體排除來自宇宙的射線干擾[4]。除了用來搜索暗物質事件，PandaX也被設計用於檢測136Xe的雙β衰變[4]。實驗場所由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司聯合開發，於2010年12月12日投入使用。
探測器將分兩個階段運行，第一階段（PandaX-I，在2014年完成）使用120千克（約260磅）氙來探測低質量暗物質（<10GeV），並用來驗證其他暗物質探測實驗的信號和結果[5][6]。PandaX是中國第一個使用超過100千克氙的暗物質探測器，其規模是僅次於位於美國的LUX實驗[7]。
第二階段的探測工作將在2016年開始，並在2015年9月3日經報道期二期擴建進展順利，使用2.4噸的氙探測10至1000GeV的能量範圍。第二階段的實驗將重複利用第一階段實驗所用的屏蔽裝置、外容器、低溫製冷裝置、氙純化設備和其他基礎設施，但會建造一個更大的低溫恆溫器和更大的二相型氙時間投影室。
PandaX的建造成本預計為1500萬美元，第一階段的初始成本為800萬美元[8]。
PandaX位於中國錦屏地下實驗室，位於地下2400至2500米深處[1][9]，是目前世界上最深的地下實驗室[10]。實驗室約40米長、6米多寬、7米多高[3]，呈「T」形結構，整體由上海交大和清華大學的公共區域、一個狹長的走廊和暗物質實驗室組成[10]。中國錦屏地下實驗室的μ子通量為每年每平方米66次事件，相較於LUX所在的美國南達科他州霍姆斯特克礦每年每平方米950次事件以及XENO所使用的義大利格蘭薩索實驗室每年每平方米8,030事件。實驗室的深度使PandaX相比於其他同類型暗物質探測器能更好地屏蔽宇宙射線的干擾，使可能獲得的暗物質信號更易被放大[7][8]。錦屏山的大理石也比霍姆斯特克和格蘭薩索的岩石具有更少的放射性，從而進一步減少錯誤檢測的機率[4][8]。
初步結果
2012年8月，PandaX的主要實驗設備從上海交通大學移入中國錦屏地下實驗室。2013年，探測器進行了兩次試運行[11]。2014年5月，探測器開始正式運行和數據採集，最初的探測結果於2014年在英文版《中國科學：物理學力學天文學》上發表[2]。在最初的運行中記錄到約400萬次事件，有約10,000次落在大質量弱相互作用粒子預期的能量區域內。其中僅有46次事件記錄在最「安靜」的氙靶中心區域內。經分析這些事件均來自背景輻射而非暗物質[7]。PandaX在第一階段的探測中尚未發現任何暗物質的事例，該測量結果和一些其它實驗所發現的輕質量暗物質疑似信號不兼容[7]。但此結果為今後低質量暗物質的搜尋工作設定了一個嚴格的極限[5]。
參考資料
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