清華工物系牽頭的中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組刷新國(guó)際暗物質(zhì)年度調(diào)制效應(yīng)研究靈敏度

清華新聞網(wǎng)11月26日電 11月25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）合作組在國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上在線(xiàn)發(fā)表題為《基于點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器年度調(diào)制效應(yīng)分析的輕暗物質(zhì)搜索》（Search for Light Weakly-Interacting-Massive-Particle Dark Matter by Annual Modulation Analysis with a Point-Contact Germanium Detector at the China Jinping Underground Laboratory）的研究論文。論文分析了CDEX-1B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)四年多的運(yùn)行數(shù)據(jù)，沒(méi)有測(cè)量到暗物質(zhì)年度調(diào)制效應(yīng)，并對(duì)質(zhì)量小于6千兆電子伏特（GeV）的輕暗物質(zhì)給出了暗物質(zhì)年度調(diào)制效應(yīng)分析的國(guó)際最靈敏限制。

眾多的天文觀(guān)測(cè)證據(jù)顯示宇宙中存在大量的暗物質(zhì)，并且在物質(zhì)起源和宇宙演化過(guò)程中具有十分重要的地位。弱相互作用重粒子（WIMP）是目前最流行的暗物質(zhì)候選者。近年來(lái)，歐洲的DAMA實(shí)驗(yàn)組（使用碘化鈉探測(cè)器）和美國(guó)的CoGeNT實(shí)驗(yàn)組（使用高純鍺探測(cè)器）先后聲稱(chēng)在10 GeV附近發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)年度調(diào)制信號(hào)，與其它實(shí)驗(yàn)給出的結(jié)果相矛盾，使得輕質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)成為當(dāng)前暗物質(zhì)研究的熱點(diǎn)。

暗物質(zhì)調(diào)制效應(yīng)是由于地球周期性的公轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)使得地球在銀河系中的速度存在周期性調(diào)制效應(yīng)，從而導(dǎo)致暗物質(zhì)與探測(cè)器相互作用的事例率產(chǎn)生周期性變化，根據(jù)調(diào)制周期可分為年調(diào)制效應(yīng)（如圖1所示）和日調(diào)制效應(yīng)。其中，由于地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的日調(diào)制幅度太小，現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)精度還無(wú)法進(jìn)行探測(cè)。年度調(diào)制效應(yīng)分析則要求探測(cè)器閾值低、曝光量大，且實(shí)驗(yàn)環(huán)境特別是本底水平具有足夠好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。

圖1 暗物質(zhì)年度調(diào)制效應(yīng)示意圖。左：由于地球公轉(zhuǎn)，暗物質(zhì)與探測(cè)器的相對(duì)速度（相互作用事例率）會(huì)產(chǎn)生周期性變化，相對(duì)速度（相互作用事例率）在6月達(dá)到最大，12月達(dá)到最小，調(diào)制周期為1年。右上：本次分析中的CDEX點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器及暗物質(zhì)直接探測(cè)示意圖。右下：紅（藍(lán)）線(xiàn)表示6月2日（12月1日）質(zhì)量為8 GeV的WIMP與探測(cè)器靶核發(fā)生彈性散射后的核反沖能譜，兩者之差（黃線(xiàn)）為理論上的年度調(diào)制幅度譜。

CDEX合作組基于CDEX-1B四年多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并針對(duì)兩個(gè)時(shí)間段、不同數(shù)據(jù)組提出了新的聯(lián)合分析方法，檢驗(yàn)暗物質(zhì)年度調(diào)制效應(yīng)是否存在以及是否符合理論預(yù)期。實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的年度調(diào)制效應(yīng)，進(jìn)一步排除了DAMA與CoGeNT合作組聲稱(chēng)發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)質(zhì)量區(qū)域，如圖2所示。這項(xiàng)工作對(duì)質(zhì)量小于6 GeV的WIMP粒子的年度調(diào)制靈敏度限制達(dá)到國(guó)際最好水平。

圖2 上圖：CDEX實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出的年度調(diào)制幅度（天文學(xué)模型無(wú)關(guān)），沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的年度調(diào)制效應(yīng)；下圖：基于年度調(diào)制效應(yīng)分析的自旋無(wú)關(guān)暗物質(zhì)排除曲線(xiàn)，排除了DAMA實(shí)驗(yàn)組（模型相關(guān)）和CoGeNT實(shí)驗(yàn)組（模型無(wú)關(guān)）聲稱(chēng)的暗物質(zhì)區(qū)域，并在6 GeV以下給出了國(guó)際暗物質(zhì)年度調(diào)制效應(yīng)研究最靈敏的限制結(jié)果。

工程物理系博士后楊麗桃為論文第一作者，工程物理系岳騫研究員和馬豪副教授為論文共同通訊作者。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)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)劃經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.221301
 

供稿：工物系

編輯：李華山

審核：周襄楠