我国科学家在暗光子直接探测研究方面取得进展
日期 2020-04-10  来源:数理科学部  作者:李会红

图: 排除曲线(左为太阳暗光子的排除曲线,右为暗光子暗物质的排除曲线)


  在国家自然科学基金项目(批准号:11725522、11675088)资助下,由清华大学牵头,四川大学、南开大学、中国原子能科学研究院、北京师范大学、北京大学、中山大学、雅砻江流域水电开发有限公司等单位的七十位研究人员组成的中国暗物质实验(China Dark matter EXperiment, CDEX)研究组在暗光子直接探测研究方面取得进展,获得了目前在10到300电子伏特质量区间对太阳暗光子动量混合参数国际上最好的直接探测实验结果。相关研究成果以“在中国锦屏地下实验室中基于CDEX-10实验的暗光子直接探测实验限制(Direct Detection Constraints on Dark Photons with CDEX-10 Experiment at the China Jinping Underground Laboratory)”为题,于2020年3月17日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,论文链接为:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.111301。

  作为一种理论上的假想粒子,暗光子是除了弱相互作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP)之外的另一种可能的暗物质候选粒子,也可能是一种新的标准模型粒子与暗物质粒子相互作用的媒介子。对暗光子的理论和实验进行研究,有助于发现超越粒子物理标准模型的新物理,扩展人类对宇宙起源和演化的认识。

  暗光子和普通物质的相互作用实质上是光子和普通物质的相互作用,暗光子通过某种机制转变为光子,其质量变为光子的能量,之后光子和普通物质发生电磁相互作用。由于暗光子的质量很小,在探测器上的能量沉积也很小,因此只有当探测器的能量阈值足够低时,才可以观测到暗光子在探测器上留下的能量沉积信号。CDEX是我国首个完全自主的暗物质直接探测实验,于2010年在国际岩石覆盖最深的中国锦屏地下实验室率先开展实验,最终目标是希望利用吨量级点电极高纯锗探测器找寻到暗物质粒子踪迹和测量到无中微子双贝塔衰变。CDEX实验组使用的新型点电极高纯锗探测器具有高能量分辨率和低物理阈值的优越特性,在探测暗光子方面具有技术优势。

  合作组利用十公斤量级实验阶段的CDEX10-B1探测器205.4公斤·天的测量数据,给出了太阳暗光子动量混合参数在90%置信度下的上限值,获得了目前在10到300电子伏特质量区间对太阳暗光子动量混合参数国际最好的直接探测实验结果。通过对CDEX10-B1探测器205.4公斤·天和CDEX10-C1探测器244.2公斤·天的双探测器单元实验数据进行联合分析,给出了暗光子暗物质的动量混合参数在90%置信度下的上限值。

  这项工作不仅探索了新的暗光子参数空间,而且推动了国际范围内探索WIMP以外的其它暗物质候选者及其与核的弹性散射检测通道的深入研究。