清華新聞網(wǎng)11月24日電 近日，清華大學(xué)工程物理系牽頭的中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（China Dark matter EXperiment，CDEX）合作組利用CDEX-10實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)205kg·day曝光量數(shù)據(jù)，研究費(fèi)米子暗物質(zhì)中性流吸收以及暗物質(zhì)-核子3→2非彈性散射等兩種暗物質(zhì)-核子反應(yīng)過(guò)程，將反應(yīng)截面的限制下推到了~10 MeV/c2質(zhì)量區(qū)間，刷新了目前暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)這兩種反應(yīng)截面限制的質(zhì)量下限。
圖1.中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室
圖2.CDEX-10實(shí)驗(yàn)探測(cè)器系統(tǒng)示意圖
大量天文學(xué)觀(guān)測(cè)支持暗物質(zhì)的存在，在深地實(shí)驗(yàn)室中對(duì)暗物質(zhì)進(jìn)行直接探測(cè)是證明暗物質(zhì)存在、了解暗物質(zhì)性質(zhì)的重要手段。對(duì)暗物質(zhì)與核子彈性散射信號(hào)的探測(cè)受限于探測(cè)器的閾值而難以對(duì)輕質(zhì)量（MeV/c2量級(jí)）的暗物質(zhì)進(jìn)行搜尋。輕質(zhì)量暗物質(zhì)與核子的吸收或非彈性散射反應(yīng)可以產(chǎn)生足夠明顯的信號(hào)而被直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，其中費(fèi)米子暗物質(zhì)與核子的中性流吸收反應(yīng)以及暗物質(zhì)與核子的3→2非彈性散射反應(yīng)是理論上新提出的兩種吸收和非彈性散射反應(yīng)。
在費(fèi)米子暗物質(zhì)中性流吸收反應(yīng)中，費(fèi)米子暗物質(zhì)（χ）通過(guò)玻色子媒介子在湯川相互作用機(jī)制下與核子（A）發(fā)生中性流吸收反應(yīng)（χ+A→ν+A），暗物質(zhì)被核子吸收并放出一個(gè)中微子，該反應(yīng)在探測(cè)器中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)單能的信號(hào)。在暗物質(zhì)與核子3→2非彈性散射反應(yīng)中，兩個(gè)暗物質(zhì)粒子（χ）同時(shí)與核子（A）發(fā)生相互作用（χ+χ+A→?+A），其中兩個(gè)暗物質(zhì)粒子反應(yīng)后合并為一個(gè)粒子（?），?可能是束縛態(tài)的暗物質(zhì)粒子，也可能是暗光子等暗輻射。該反應(yīng)在探測(cè)器中同樣會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)單能信號(hào)，信號(hào)的能量與暗物質(zhì)的質(zhì)量、發(fā)生作用的核子以及暗物質(zhì)初態(tài)（χ）與末態(tài)（?）的質(zhì)量比（ξ）有關(guān)。
該研究使用CDEX-10實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中C10-B1探測(cè)器205kg·day的數(shù)據(jù)對(duì)費(fèi)米子暗物質(zhì)-核子中性流吸收反應(yīng)和暗物質(zhì)-核子3→2非彈性散射反應(yīng)進(jìn)行搜尋。CDEX-10實(shí)驗(yàn)在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期聚乙烯屏蔽室中通過(guò)液氮直冷方式運(yùn)行10公斤P型點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器陣列，其中C10-B1探測(cè)器達(dá)到了最低的分析閾值（160eVee）被用于輕質(zhì)量暗物質(zhì)的分析。
該研究首先分析了兩種反應(yīng)機(jī)制下暗物質(zhì)與高純鍺探測(cè)器的相互作用，給出了兩種暗物質(zhì)反應(yīng)機(jī)制對(duì)應(yīng)的預(yù)期能譜。然后，利用C10-B1探測(cè)器低閾值的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)兩種暗物質(zhì)反應(yīng)的截面進(jìn)行限制，通過(guò)卡方分析方法對(duì)探測(cè)器能譜與暗物質(zhì)信號(hào)進(jìn)行分析，由Feldman-Cousins方法給出90%置信度的截面上限。得益于C10-B1探測(cè)器低閾值的特點(diǎn)，研究將對(duì)費(fèi)米子暗物質(zhì)中性流吸收反應(yīng)的截面限制下推到了~10 MeV/c2暗物質(zhì)質(zhì)量區(qū)間，將暗物質(zhì)-核子3→2非彈性散射反應(yīng)截面的限制下推到了~5 MeV/c2（暗光子暗物質(zhì)末態(tài)）和~14 MeV/c2（束縛態(tài)暗物質(zhì)末態(tài)）。
圖3.不同質(zhì)量費(fèi)米子暗物質(zhì)中性流吸收反應(yīng)在高純鍺探測(cè)器中的預(yù)期能譜
圖4.暗物質(zhì)核子3→2非彈性散射反應(yīng)在高純鍺探測(cè)器中的預(yù)期能譜，其中初末態(tài)質(zhì)量比ξ=0對(duì)應(yīng)末態(tài)為暗光子，ξ=1.87對(duì)應(yīng)末態(tài)為束縛態(tài)暗物質(zhì)
圖3、圖4中暗物質(zhì)與核子的耦合截面均設(shè)置為10-45cm2
圖5.費(fèi)米子暗物質(zhì)中性流吸收反應(yīng)截面的排除線(xiàn)
圖6.暗物質(zhì)核子3→2非彈性散射反應(yīng)截面的排除線(xiàn)
11月23日，該研究成果在國(guó)際物理學(xué)知名刊物《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表，論文題目為“在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用CDEX-10對(duì)奇異暗物質(zhì)的研究”（Exotic Dark Matter Search with CDEX-10 Experiment at China’s Jinping Underground Laboratory）。
清華大學(xué)工程物理系2020級(jí)博士生代文翰為本文第一作者，工程物理系岳騫首席研究員、馬豪副教授為本文通訊作者。該研究工作得到了國(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)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助和中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的大力支持。
CDEX合作組正式成立于2009年，由清華大學(xué)（工程物理系）牽頭，聯(lián)合四川大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、北京師范大學(xué)、北京大學(xué)、中山大學(xué)、雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司等多家單位組成，使用高純鍺探測(cè)器進(jìn)行暗物質(zhì)直接探測(cè)研究，未來(lái)計(jì)劃使用噸量級(jí)高純鍺探測(cè)器陣列開(kāi)展暗物質(zhì)直接探測(cè)和無(wú)中微子雙貝塔衰變等多物理目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.221802
供稿：工物系
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
