清華新聞網(wǎng)11月23日電 近年來(lái)天文學(xué)和宇宙學(xué)的觀(guān)測(cè)結(jié)果強(qiáng)烈暗示著暗物質(zhì)的存在，同時(shí)暗物質(zhì)這一理論模型也對(duì)我們理解物質(zhì)的起源及宇宙的演化具有重要意義，因此，對(duì)暗物質(zhì)的直接探測(cè)是當(dāng)前物理學(xué)界一個(gè)炙手可熱的課題。近幾十年來(lái)，對(duì)暗物質(zhì)的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，包括基于液態(tài)稀有氣體的實(shí)驗(yàn)XENON、PandaX、DarkSide等，以及基于固體探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)包括SENSEI、DAMIC、EDEIWEISS和CDMS等都在如火如荼地展開(kāi)。
暗物質(zhì)質(zhì)量依據(jù)不同的理論分布在一個(gè)十分寬廣的范圍內(nèi)，從極重的原初黑洞到極輕的中微子都是暗物質(zhì)可能的候選者。此前，暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)所針對(duì)的質(zhì)量范圍多集中在GeV到TeV量級(jí)，也就是弱相互作用重粒子（WIMP）所在的質(zhì)量范圍。近年來(lái)，為了擴(kuò)寬實(shí)驗(yàn)的靈敏區(qū)域，對(duì)更輕質(zhì)量的暗物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，暗物質(zhì)-電子相互作用這一物理通道也被重視起來(lái)，并被應(yīng)用在各大實(shí)驗(yàn)中。
圖1. 暗物質(zhì)-電子相互作用示意圖
對(duì)于固體探測(cè)器中暗物質(zhì)-電子相互作用事例率的計(jì)算，最棘手的是晶體形狀因子的計(jì)算。傳統(tǒng)的計(jì)算手段，主要包括半解析的近似方法，以及基于第一性原理進(jìn)行的密度泛函理論（DFT）計(jì)算。這些方法只能計(jì)算極低能區(qū)的預(yù)期能譜，其能量范圍被限制在~50eV的水平，低于高純鍺探測(cè)器的典型閾值（幾百個(gè)eV）。最近，坦納·特里克（Tanner Trickle）等人發(fā)展了一套新的計(jì)算方法，在DFT計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用全電子重建的方法恢復(fù)DFT計(jì)算波函數(shù)內(nèi)的高動(dòng)量成分，并結(jié)合半解析方法對(duì)遠(yuǎn)離禁帶的電子能態(tài)進(jìn)行分析，使得暗物質(zhì)-電子相互作用能譜的計(jì)算范圍延伸到了~keV的水平?；趯?shí)驗(yàn)的高曝光量及低本底的優(yōu)勢(shì)，清華大學(xué)工程物理系牽頭的中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組（China Dark matterEXperiment，CDEX）成功地對(duì)暗物質(zhì)-電子相互作用進(jìn)行了分析，并給出了有競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)果。
圖2.暗物質(zhì)-電子相互作用預(yù)期能譜。左圖：鍺探測(cè)器內(nèi)部電子能態(tài)示意圖，不同能態(tài)被分為核電子（“core, c”），價(jià)帶（“valence, v”），導(dǎo)帶（“conduction, cd”）與自由電子（“free, f”）。中圖：不同躍遷過(guò)程貢獻(xiàn)的預(yù)期能譜，能量范圍擴(kuò)展到高純鍺探測(cè)器能量閾值以上。右圖：卷積能量分辨率后的預(yù)期能譜以及CDEX-10實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V
CDEX合作組基于CDEX-10的205.4公斤天的數(shù)據(jù)，建立了基于高純鍺探測(cè)器的暗物質(zhì)-電子相互作用的分析方法，首次給出了基于高純鍺探測(cè)器的暗物質(zhì)-電子相互作用直接探測(cè)結(jié)果。在世界主流的基于固體探測(cè)器的暗物質(zhì)-電子相互作用直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，本工作給出了在>100 MeV/c2的質(zhì)量范圍內(nèi)國(guó)際領(lǐng)先的限制結(jié)果，證實(shí)了高純鍺探測(cè)器對(duì)暗物質(zhì)-電子相互作用進(jìn)行直接探測(cè)的可行性，也展示了高純鍺探測(cè)器這一技術(shù)路線(xiàn)在暗物質(zhì)-電子的物理通道方面所具有的巨大潛力。
圖3.CDEX-10給出的暗物質(zhì)-電子相互作用靈敏度限制。左圖：重媒介子情況下CDEX-10給出的排除線(xiàn)，在質(zhì)量大于100MeV的暗物質(zhì)質(zhì)量區(qū)間內(nèi)，給出了國(guó)際上主流的基于固體探測(cè)器的暗物質(zhì)-電子相互作用直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)暗物質(zhì)-電子相互作用截面最靈敏的限制；右圖：輕媒介子情況下CDEX-10給出的排除線(xiàn)
11月21日，上述研究成果在國(guó)際物理學(xué)知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上在線(xiàn)發(fā)表，題為“基于CDEX-10實(shí)驗(yàn)的對(duì)sub-GeV質(zhì)量的暗物質(zhì)與電子相互作用的限制”（Constraints on Sub-GeV Dark Matter–Electron Scattering from the CDEX-10Experiment）。
清華大學(xué)工程物理系2019級(jí)博士生張震宇為論文第一作者，工程物理系岳騫研究員和楊麗桃助理研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“大科學(xué)裝置前沿研究”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)資助，以及清華大學(xué)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和自主科研計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.221301
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：郭玲
