清華新聞網(wǎng)4月25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）合作組針對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)加速暗物質(zhì)開展分析時(shí)所面臨的困難，提出了一套速度成分分析方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在半導(dǎo)體探測(cè)器上對(duì)任意速度分布的加速暗物質(zhì)與電子相互作用的快速分析。基于速度成分分析方法，合作組利用來自CDEX-10實(shí)驗(yàn)總曝光量為205.4公斤·天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展了太陽加速暗物質(zhì)-電子相互作用的分析。分析中未觀測(cè)到暗物質(zhì)與電子的相互作用，并在重媒介子和輕媒介子情況下，質(zhì)量小于0.01兆電子伏特（MeV）與質(zhì)量小于0.1 MeV的暗物質(zhì)質(zhì)量區(qū)間內(nèi)，給出了國(guó)際上對(duì)太陽加速暗物質(zhì)-電子相互作用截面最靈敏的限制。
暗物質(zhì)模型能夠很好地對(duì)天文學(xué)和宇宙學(xué)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行解釋，暗物質(zhì)的存在已經(jīng)得到了現(xiàn)代物理學(xué)界的普遍認(rèn)可，對(duì)暗物質(zhì)進(jìn)行直接探測(cè)，進(jìn)一步揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)，對(duì)我們理解物質(zhì)的起源及宇宙的演化具有重要意義。近幾十年來，基于不同探測(cè)器技術(shù)的暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)正在廣泛開展。
對(duì)輕質(zhì)量暗物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)的一個(gè)重要手段是開展暗物質(zhì)-電子相互作用分析，電子由于質(zhì)量更低，能夠更高效地從輕質(zhì)量暗物質(zhì)粒子中獲得能量，因此研究探測(cè)器內(nèi)暗物質(zhì)與電子的相互作用，能夠顯著提高探測(cè)器對(duì)輕質(zhì)量暗物質(zhì)的靈敏度。CDEX合作組在2022年使用一種結(jié)合了密度泛函理論（DFT）計(jì)算與半解析方法的暗物質(zhì)-電子相互作用計(jì)算方法，基于高純鍺探測(cè)器對(duì)暗物質(zhì)-電子相互作用進(jìn)行了分析，并取得了國(guó)際領(lǐng)先結(jié)果，相關(guān)成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett. 129. 221301, 2022）。
探索低質(zhì)量暗物質(zhì)的另外一個(gè)重要手段是對(duì)加速暗物質(zhì)進(jìn)行研究。暗物質(zhì)被宇宙中高能天體加速進(jìn)而獲得能量，如果這些暗物質(zhì)能夠到達(dá)探測(cè)器，那么對(duì)這些具有更高能量的暗物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，就能夠進(jìn)一步提升輕質(zhì)量區(qū)域的實(shí)驗(yàn)靈敏度。典型的加速暗物質(zhì)模型包括宇宙線加速暗物質(zhì)、太陽加速暗物質(zhì)、耀變體加速暗物質(zhì)等。太陽加速暗物質(zhì)本質(zhì)上是暗物質(zhì)暈?zāi)Ｐ蛢?nèi)暗物質(zhì)被太陽內(nèi)高能等離子體加速后的暗物質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)于傳統(tǒng)的暗物質(zhì)暈?zāi)Ｐ蛠碚f不需要額外假設(shè)。
圖1.太陽加速暗物質(zhì)示意圖。暗物質(zhì)進(jìn)入太陽被高能電子加速反射至地球，最終被高純鍺探測(cè)器探測(cè)到
在利用暗物質(zhì)-電子相互作用對(duì)加速暗物質(zhì)進(jìn)行分析時(shí)面臨著一些問題。由于加速暗物質(zhì)的速度分布多種多樣，甚至是非解析的，在計(jì)算加速暗物質(zhì)-電子相互作用事例率時(shí)就不能夠再使用常規(guī)的解析計(jì)算方法，這意味著必須要進(jìn)行非常復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，而巨大的計(jì)算量導(dǎo)致加速暗物質(zhì)分析難以進(jìn)行。為了解決這一問題，CDEX合作組提出了速度成分分析方法，對(duì)不同速度區(qū)間的貢獻(xiàn)分別進(jìn)行近似計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加速暗物質(zhì)-電子相互作用在半導(dǎo)體探測(cè)器上的快速分析。
圖2. 上圖：速度成分分析方法示意；下圖：利用速度成分分析方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)暗物質(zhì)暈?zāi)Ｐ驮谔綔y(cè)器內(nèi)的能譜進(jìn)行重建的結(jié)果，重建結(jié)果顯示速度成分分析方法具有很好的重建效果
利用速度成分分析方法，CDEX合作組對(duì)太陽加速暗物質(zhì)-電子相互作用進(jìn)行了分析。基于CDEX-10的205.4公斤·天的數(shù)據(jù)，CDEX合作組給出了國(guó)際首個(gè)基于高純鍺探測(cè)器的太陽加速暗物質(zhì)-電子相互作用直接探測(cè)結(jié)果。在重媒介子和輕媒介子情況下，分別在質(zhì)量小于0.01MeV和質(zhì)量小于0.1MeV的暗物質(zhì)質(zhì)量區(qū)間內(nèi)，給出了國(guó)際上對(duì)太陽加速暗物質(zhì)-電子相互作用截面最靈敏的限制。
這一工作具有重要意義。首先，本工作創(chuàng)新地發(fā)展了速度成分分析方法，解決了半導(dǎo)體探測(cè)器在開展加速暗物質(zhì)分析時(shí)計(jì)算量巨大的問題；其次，利用CDEX實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了國(guó)際領(lǐng)先的物理結(jié)果，展示了利用高純鍺探測(cè)器開展加速暗物質(zhì)-電子相互作用研究的巨大潛力；最后，速度成分分析方法有很好的普適性，可用于其他加速暗物質(zhì)分析，同時(shí)也能夠應(yīng)用于其他基于半導(dǎo)體探測(cè)器的暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)。
圖3.CDEX-10給出的太陽加速暗物質(zhì)-電子相互作用靈敏度限制。上圖：重媒介子情況下CDEX-10給出的排除線；下圖：輕媒介子情況下CDEX-10給出的排除線
4月22日，相關(guān)研究成果以“半導(dǎo)體探測(cè)器加速暗物質(zhì)-電子相互作用分析的新方法給出太陽加速暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)限制”（Experimental Limits on Solar Reflected Dark Matter with a New Approach on Accelerated Dark Matter-Electron Analysis in Semiconductors）為題，在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
工程物理系2019級(jí)博士生張震宇為論文第一作者，工程物理系助理研究員楊麗桃、首席研究員岳騫為論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“大科學(xué)裝置前沿研究”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目資助，以及清華大學(xué)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.171001
供稿：工物系
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
