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紫金山天文臺和PandaX實驗組合作在輕暗物質探測方面取得重要進展

  近日,紫金山天文臺研究員袁強和上海交通大學牽頭的PandaX合作組及李政道學者葛韶鋒合作,在《物理評論快報》以“編輯推薦”論文發表了PandaX-II二期實驗尋找宇宙線加速輕暗物質的結果【PRL, 128, 171801 (2022)】。這是首次由暗物質直接探測實驗開展數據分析尋找這一信號,也是PandaX實驗組首次同國內理論學者合作完成從唯象理論的提出到實驗探測的全鏈條研究。


圖1:(左圖)宇宙線(CR:cosmic ray)加速的輕暗物質(DM:dark matter)主要來自銀河系中心方向,(右圖)由于地球自轉和屏蔽效應引起的恒星日周期性調制特征。

  該研究采用的信號探針,是由葛韶鋒、袁強和PandaX實驗組成員周寧、劉江來在另一篇合作文章中提出的:來自銀河系宇宙線加速的輕暗物質由于地球自轉和屏蔽效應導致的恒星日周期性調制特征【PRL, 126, 091804 (2021)】。近年來,對質量在GeV以下(sub-GeV)的輕暗物質的研究備受關注,但由于質量過輕,產生的核反沖信號的能量過低,不能被探測器捕捉。然而,只要暗物質和原子核有相互作用,就一定有小部分的輕暗物質被宇宙線中的高能粒子碰撞加速,從而獲得足夠高的動能,在探測器中產生可觀測的信號。由于暗物質和宇宙線的分布不均勻,被加速的輕暗物質呈各向異性分布,以銀河系中心方向流量最高。高速輕暗物質穿過地球時和巖石原子核碰撞散射,會損失動能并發生角度偏轉。由于地球自轉,暗物質到達探測器需穿越的巖層凈厚度會產生從2.4公里(錦屏地下實驗室的埋深)到1萬多公里(地球的直徑)周期變化,從而在探測器中形成一種特有的恒星日周期性調制信號(圖1)。該探針同傳統暗物質直接探測均僅依賴于暗物質和核子的相互作用,因此模型依賴性低,結果具有很強的普適性?!拔锢怼本W站(phys.org)曾就該效應進行了專題報道(詳見https://phys.org/news/2021-03-diurnal-effect-cosmic-ray-boosted-dark.html)。

  通過和PandaX實驗組合作,研究團隊針對這個新型的恒星日調制信號,對暗物質穿過巖石進入錦屏地下實驗室的過程做了細致的蒙特卡洛模擬,完整包含了核形狀因子和角度偏轉的效應,并且考慮了彈性散射過程的適用范圍,最終得到了可靠的地球屏蔽效應。實驗組提取了PandaX-II二期580公斤液氙探測實驗400天全部曝光數據的恒星時信息,對相應的原子核反沖信號區,利用計數率和能譜隨恒星時的分布,對宇宙線加速輕暗物質展開了細致搜尋。得益于PandaX實驗的低放射性本底和大曝光量,實驗組對輕暗物質給出了嚴格的限制(圖2)。研究結果表明,PandaX液氙直接探測實驗可以覆蓋sub-GeV質量區間前所未及的很大參數空間,排除了暗物質-核子在10-31cm2和10-28cm2三個數量級的散射截面。這是首個由暗物質直接探測實驗組采用宇宙線加速暗物質手段給出的限制,超越了宇宙學和天文觀測對輕暗物質的限制。目前新一代PandaX-4T四噸級液氙探測實驗正在緊張取數中,其具有更低的本底水平和更高的探測靈敏度,將進一步探索輕暗物質的參數空間。


圖2:PandaX-II實驗數據利用天調制新探針對輕質量暗物質的嚴格限制。

  李政道研究所博士后崔祥儀為論文第一作者,上海交大物理與天文學院周寧副教授和紫金山天文臺袁強研究員為共同通訊作者。袁強的研究得到中國科學院和江蘇省相關研究計劃的資助;PandaX實驗得到教育部、上海交通大學、以及合作組單位的長期支持,并得到自然科學基金委、科技部、上海市、四川省、中科院“粒子物理前沿”卓越創新中心、香港鴻文基金會和騰訊基金會的重要資助;本研究工作還得到了由清華大學和雅礱江水電共同開發、管理的錦屏地下實驗室的大力協助。

  文章鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.171801

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