我国学者在轻暗物质探测领域取得进展

　　

图1 位于锦屏地下实验室的PandaX-4T液氙探测实验

图2 原子核吸收暗物质散射截面的限制

图3 电子吸收暗物质散射截面的限制

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12090060、12090061、12090064）等资助下，上海交通大学牵头的PandaX合作组在轻暗物质探测领域取得进展，研究成果分别以“通过PandaX-4T首次搜寻费米子暗物质被吸收的信号（First Search for the Absorption of Fermionic Dark Matter with the PandaX-4T Experiment）”与“利用PandaX-4T寻找轻质量暗物质被电子吸收的信号（Search for Light Fermionic Dark Matter Absorption on Electrons in PandaX-4T）”为题，于2022年10月13日以编辑推荐（Editors’ Suggestion）形式同期在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.161803；https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.161804。

　　近年来，对轻暗物质的探测成为研究关注的热点问题。传统理论中，轻暗物质与原子核的弹性散射不足以产生足够大的核反冲，难以克服实验能量阈值限制而被探测。轻暗物质如果被电子或原子核吸收，质量便可转化为末态中微子和电子或原子核的动能。因此，轻暗物质通过该过程能够产生足够大的电子或原子核反冲信号，从而被实验探测，为轻暗物质的探测打开了一个窗口。

　　依托我国自主研发的位于锦屏地下实验室的新一代多吨级液氙探测实验PandaX-4T（图1），团队系统研究了暗物质被原子核吸收产生的核反冲信号能量响应，对质量为数十MeV的轻暗物质被原子核吸收的截面做出了严格限制（图2）；对于传递这种新型吸收作用的一种新Z'玻色子，PandaX-4T的限制强于对撞机实验的结果。对于轻质量暗物质被电子吸收的信号，团队通过扫描电子反冲数据，给出了对质量为数十keV的轻暗物质通过矢量或轴矢量作用被电子吸收的最新限制（图3），超越了天文学观测的限制；该测量结果同国际同类实验XENONnT最新发表的结果相一致。

　　该研究通过从海量实验数据中挖掘新型信号特征来探索寻找轻质量暗物质，拓展了暗物质直接探测的物理潜能。