深入四川群山的探秘之旅

该项目已经运行了多长时间？
PandaX 合作组成立于 2009 年。其首个原型机 PandaX-I 装载了 120 公斤液氙，于 2014 年投入运行。随后建成的 PandaX-II 探测器拥有 500 公斤靶量，并在 2016 至 2019 年间取得了一系列居于世界领先地位的成果。目前的阶段为 PandaX-4T，采用 4 吨液氙，于 2020 年进入调试运行，并于 2026 年 4 月结束运行。与此同时，靶量达 20 吨的下一代实验 PandaX-20T 已进入研发与验证阶段。在过去的 15 至 17 年间，PandaX 计划通过一系列日益精密的升级稳步推进，在暗物质探测灵敏度方面不断实现飞跃。

为什么这项研究如此引人入胜？
暗物质至今仍是现代科学中最重大的未解之谜之一。尽管已有令人信服的证据证实它的存在，但我们对其组成成分依然一无所知。暗物质的发现不仅将证实一种全新物质形态的存在，还可能揭示超越标准模型的新物理学，从根本上重塑人类对宇宙的认知。

PandaX 最激动人心之处，在于它始终屹立于实验灵敏度的最前沿。随着探测器每一代的迭代升级，我们不断提升靶质量，并将本底信号压低数个数量级，从而能够涉足以往从未触及的参数空间。从这个角度来看，PandaX 正在与包括 LUX-ZEPLIN (LZ)、XENONnT 以及未来的 DARWIN 观测站等国际顶尖暗物质实验并肩竞逐，共同致力于促成当代物理学最重大的突破之一。

要使这项实验取得成功，需要哪些学科协同攻关？
PandaX 本质上是一项高度交叉的跨学科工程，其核心学科涵盖：

• 粒子 / 粒子天体物理学 —— 界定信号与本底模型，开展物理数据分析。
• 低温工程学 —— 研制并在 −100°C 极低温下运行大型液氙系统。
• 低本底辐射与材料科学 —— 严苛筛查每一种元器件，确保极低放射性。
• 探测器物理与光子学 —— 光电倍增管（PMT）设计、光收集与光学优化。
• 电子学与信号处理 —— 低噪声读出、触发系统与数据采集。
• 真空与机械工程 —— 低温恒温器、时间投影室（TPC）结构及气体循环系统。
• 计算机科学与数据分析 —— 实时数据处理，应用机器学习进行事例分类。
• 地下实验室运行管理 —— 锦屏地下实验室（CJPL）的后勤保障、安全管理与基础设施运维。

面对如此复杂的实验，单一学科绝不可能独力完成；其中最大的挑战，就在于如何将各领域的专业技术高度融合为一个稳定可靠的有机整体。

项目团队大概有多少人？
PandaX 合作组汇聚了来自海内外各高校与科研院所的约 100 至 120 名科学家、工程师、技术人员和学生。其核心是由数十名长驻中国锦屏地下实验室（CJPL）和上海交通大学的科研人员组成的骨干团队，负责实验的日常运行与系统研制。此外，还有更庞大的合作网络为项目提供支持，在数据分析、探测器子系统开发、前沿预研以及科学成果解读等方面贡献专业力量。

这是一支国际化团队，还是纯中国本土团队？
PandaX 由国内多家科研机构联合主导，上海交通大学发挥核心牵头作用，合作单位包括山东大学、中山大学、清华大学等多所高等学府与科研院所。同时，它也是一个名副其实的国际合作组，汇聚了来自美国、欧洲等全球顶尖机构的专业力量。实验汲取了全球在低温探测器技术、超低本底技术以及前沿数据分析等方面的智力支持；而探测器本身的自主设计、建造与运行，则主要立足于中国本土完成。正是这种“本土引领、国际协同”的模式，推动 PandaX 稳步成长为全球领先的暗物质探测实验之一。

研制暗物质探测器，与建造常规高科技工业系统或科研装置有何本质区别？
三大核心挑战造就了 PandaX 的独特性：
第一，极致的超低本底辐射要求。 探测器所使用的每一种材料，从不锈钢恒温器到内部线缆、穿通件（Feedthrough）乃至焊接辅料，都必须经过极严苛的辐射筛查，以确保超低天然放射性。哪怕某个零部件中残留极其微量的铀或钍，其产生的干扰信号就足以将潜在的暗物质信号彻底淹没。这类严苛指标在传统工业系统中几乎前所未见。

第二，极高的探测灵敏度。 PandaX 旨在探测仅有数千电子伏特（keV）的微弱能量沉积，预期的反应事例率甚至可能低于每吨探测材料每年不到一次。为了实现这种极限灵敏度，探测器必须在长达数年的运行周期内保持非凡的稳定性，彻底排除任何微振动或电磁干扰。

第三，不可逆性与工程体量。探测器一旦在两千米深的地下完成组装、密封并冷却注液，任何后续的拆解干预都将是耗费巨大的工程，不仅可能导致长达数月的停机，还会消耗大量资源。因此，在探测器封装闭合之前，每一个连接点、零部件与子系统都必须严格按照最高标准进行设计、测试与全方位验证。这也使整个项目团队形成了一种精益求精的装配习惯、严格的质量控制以及严谨周密的全流程测试文化。

探测器内部装有 4 吨液氙。在运行和维护如此庞大的低温系统时，需要兼顾哪些工程层面的考量？
在 −100°C 条件下运行 4 吨液氙，面临着诸多重大工程挑战：

• 低温稳定性。液氙的温度与密度必须控制在零点几度的极小温差范围内，以保证整个探测器内部具备均一的发光额定效率和稳定的电子漂移特性。实现这种极限稳定性需要极其周密的热工设计，包括精密研制的低温恒温器、高效热交换器以及基于 PID 控制的制冷回路。
• 氙气纯度。 即使是浓度低至万亿分之几（ppt 量级）的电负性杂质（如氧气和水），也会吸附漂移电子，从而破坏电离信号。为杜绝此类干扰，液氙会全天候不间断地通过专用纯化系统循环流动，利用高温吸气剂和特种过滤器深度滤除杂质。
• 安全性考量。氙气属于窒息性气体，在密闭的深地环境中，任何泄漏都可能带来安全隐患。因此，实验设施配备了高灵敏度氧浓度监测系统、泄漏探测传感器以及应急通风系统。此外，高纯氙气极其珍贵昂贵，无论从科研还是经济角度考量，防止任何形式的流失都至关重要。
• 回收与储存。在系统维护或升级改造期间，必须将探测器内部的全部氙气安全回收并储存至高压储气罐或专用的回收装置中。维护工作完成后，还须重新冷凝注回探测器。这一复杂流程往往需要耗费数周时间，必须经过周密的规划与严谨的执行。

在像 PandaX 这样高灵敏度的系统中，为什么连接器与互连解决方案至关重要？
光电倍增管（PMT）产生的电信号极其微弱，通常仅为数毫伏的单光电子脉冲。任何接触电阻不良或电磁屏蔽不充分的连接器，都会引入电气噪声、造成信号衰减，或拾取外界的电磁干扰。
可靠性同样是重中之重。互连系统必须经受住反复的冷热循环冲击、水泵与真空泵产生的机械振动，并在长达数年的连续运行中保持性能零衰减。
现代时间投影室（TPC）集成了成千上万个读出通道、高压电源连接以及传感器线缆。这就要求连接器架构不仅设计紧凑、严苛适配洁净室装配规范，还必须在探测器的建造、调试乃至全生命周期运行中，确保每一个独立连接点始终完好无损。

在这类深地物理实验中，不良的电气连接可能会带来哪些潜在后果？
电气连接不良引发的后果，轻则造成探测器性能微小下降，重则可能导致整个系统彻底瘫痪：

• 噪声增大。高接触电阻或接触不良会成为电气噪声源，这实质上抬高了探测器的能量阈值，直接削弱其对低质量暗物质信号的捕捉灵敏度。
• 信号衰减或失真。失效的连接器会起到类似低通滤波器的负面作用，改变 PMT 纳秒级快速脉冲的波形，从而恶化探测器的时间分辨率。
• 读出通道丢失。 接触不良或虚接断路可能导致整个 PMT 通道停摆。这不仅会降低光收集效率，还可能在探测器有效靶区内形成盲区。
• 虚假触发与微振动噪声。松动或不稳定的机械连接容易产生类似真实物理事例的电信号伪影，进而污染物理数据集，在后续离线分析中需要耗费极大精力进行数据清洗。
• 高压不稳定。在 PMT 高压供电线路上，劣质的高压连接会导致偏置电压剧烈波动甚至引发打火放电，极有可能击穿损坏精密敏感的电子元器件，并产生危险的瞬态脉冲。
• 极为高昂的检修成本。探测器一旦封装闭合且降温注液，即使仅有一个连接器发生故障，也意味着必须开展极大规模的检修工程。团队不得不将整个探测器缓慢升温、安全抽空回收液氙、在超净间环境下重新拆解恒温器检修，并在装配后对整个系统重新调试。这可能导致长达数月的有效取数时间白白流失，耗费巨额人力与资源成本。
   

最后，您期望该项目能够解答哪些前沿基础问题？
PandaX 旨在探索现代物理学中最核心的一系列基本问题：

• 暗物质的本质是什么？ 实验的首要科学目标是直接探测大质量弱相互作用粒子（WIMP）——这是暗物质最具希望的候选粒子之一。若能成功捕获到该信号，将是一项载入史册的重大科学突破，一举揭开构成宇宙约 85% 物质总量的神秘面纱。
• 无中微子双贝塔衰变是否存在？ 大型液氙探测器对这种极其罕见的核衰变同样具备极高的探测灵敏度。一旦证实其存在，便能解答中微子是否为其自身反粒子（即马约拉纳费米子）这一重大学术悬念。
• 太阳轴子及其他奇异信号。得益于超低本底环境，PandaX 对包括轴子和暗光子在内的一系列假想粒子也具备灵敏响应，从而将实验的科学探测能力拓展到了寻找 WIMP 之外的更广阔物理领域。

暗物质研究致力于在最深邃的微观层面上深化人类对宇宙的认知。四川的崇山峻岭是大熊猫的家园，它是现实可见自然世界的全球象征；而在其数千米深的地底，PandaX 正在无垠的“不可见”领域中执着探索，只为回答人类最古老的追问之一：我们所认识的真实世界，究竟有几何？
 

作者： Judit Hollos-Spoerli（LEMO 集团企业传播经理）