清華主導(dǎo)的CDEX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組取得世界領(lǐng)先成果

清華新聞網(wǎng)10月18日電 10月15日，清華大學(xué)主導(dǎo)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CDEX-1B實(shí)驗(yàn)的亞-千兆電子伏特質(zhì)量區(qū)域輕暗物質(zhì)截面限制》（Constraints on Spin-Independent Nucleus Scattering with sub-GeV Weakly Interacting Massive Particle Dark Matter from the CDEX-1B Experiment at the China JinPing Laboratory）的研究論文。論文基于暗物質(zhì)粒子（弱相互作用重粒子，WIMPs）與靶核反應(yīng)時(shí)的Migdal效應(yīng)，利用CDEX-1B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行四年獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)百兆電子伏特質(zhì)量區(qū)域的輕暗物質(zhì)給出了國(guó)際上暗物質(zhì)直接探測(cè)的最好結(jié)果。

在以往的分析中，通常認(rèn)為WIMPs粒子與靶核發(fā)生的反應(yīng)是彈性散射，核外電子與靶核同步運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)過(guò)程中動(dòng)量、動(dòng)能守恒，在物理分析時(shí)僅考慮靶核的反沖能量。但實(shí)際上由于靶核與核外電子靠電磁力耦合，當(dāng)靶核與WIMPs粒子發(fā)生碰撞獲得速度時(shí)，核外電子有一定概率無(wú)法跟上靶原子核的運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生電離或者激發(fā)。這種情況下，WIMPs粒子與靶核發(fā)生的反應(yīng)屬于非彈性散射，暗物質(zhì)粒子將會(huì)損失更大的動(dòng)能。特別的，對(duì)于小于千兆電子伏特的輕暗物質(zhì)來(lái)說(shuō)，被電離出來(lái)的電子的能量將會(huì)遠(yuǎn)大于靶核的動(dòng)能。因此，通過(guò)Migdal效應(yīng)考慮反沖電子與靶核的總能量，可以在相同的探測(cè)器閾值下針對(duì)更輕質(zhì)量的暗物質(zhì)給出更加靈敏的參數(shù)限制。

圖 1 基于Migdal效應(yīng)的自旋無(wú)關(guān)暗物質(zhì)排除曲線(xiàn)，左圖是暗物質(zhì)能譜分析的結(jié)果，右圖是年度調(diào)制效應(yīng)的分析結(jié)果

合作組基于Migdal效應(yīng)，利用CDEX-1B曝光量為737.1公斤天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了暗物質(zhì)能譜分析的結(jié)果，在50-180兆電子伏特質(zhì)量區(qū)間內(nèi)達(dá)到國(guó)際最好；同時(shí)，利用CDEX-1B曝光量為1107.5公斤天、時(shí)間跨度4.2年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了暗物質(zhì)年度調(diào)制效應(yīng)的分析結(jié)果，在75兆電子伏特至3.0千兆電子伏特質(zhì)量區(qū)間達(dá)到國(guó)際最好水平。相比CDEX合作組之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，暗物質(zhì)直接探測(cè)的質(zhì)量下限從3千兆電子伏特降低到了50兆電子伏特，大大擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)所能約束的暗物質(zhì)參數(shù)空間。

工程物理系博士生劉仲智為本論文第一作者，工程物理系岳騫研究員、馬豪副教授和博士后楊麗桃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.123.161301

供稿：工物系

編輯：李晨暉

審核：周襄楠