清華新聞網(wǎng)11月11日電 現(xiàn)代物理學(xué)表明，暗物質(zhì)像一團(tuán)“氣體”包裹著銀河系，以極微小的概率與地球上的粒子相互作用。XENONnT實(shí)驗(yàn)用液氙作為粒子“捕手”，期望直接探測(cè)到這類稀有事件。當(dāng)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)靈敏度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)探測(cè)到太陽(yáng)內(nèi)部核聚變產(chǎn)生的中微子通過(guò)與原子核發(fā)生相干彈性散射（Coherent Elastic neutrino-nucleus scattering, CEvNS）的信號(hào)。這種中微子信號(hào)與暗物質(zhì)信號(hào)相似，暗物質(zhì)信號(hào)可能會(huì)淹沒(méi)在其中，這種現(xiàn)象也因此被稱為“中微子霧”。在一系列太陽(yáng)中微子中，最先能測(cè)到的中微子來(lái)自硼-8同位素反β衰變反應(yīng)，通常被稱為硼-8中微子。硼-8中微子是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的“老朋友”，在歷史上多次被測(cè)量并帶來(lái)對(duì)中微子物理和太陽(yáng)物理的新認(rèn)識(shí)，但此前硼-8中微子尚未通過(guò)CEvNS過(guò)程測(cè)量。
圖1.XENONnT實(shí)驗(yàn)測(cè)量太陽(yáng)硼-8中微子示意圖
今年7月10日，兩年一度的國(guó)際暗物質(zhì)大會(huì)在意大利舉行。會(huì)上，清華大學(xué)物理系副教授高飛代表XENON合作組發(fā)布了一項(xiàng)突破性成果：運(yùn)行于格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的XENONnT實(shí)驗(yàn)利用液氙暗物質(zhì)探測(cè)器直接探測(cè)到了太陽(yáng)“中微子霧”，并測(cè)量了太陽(yáng)硼-8中微子流強(qiáng)和中微子與氙原子核相干彈性散射截面。值得指出的是，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的PandaX-4T實(shí)驗(yàn)也在同一會(huì)議上發(fā)布了對(duì)這一信號(hào)的測(cè)量結(jié)果。11月7日，《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）同期發(fā)表兩個(gè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立測(cè)量到“中微子霧”的文章。
圖2.XENONnT實(shí)驗(yàn)裝置和探測(cè)原理示意圖：液氙探測(cè)器通過(guò)讀出閃爍光和電離信號(hào)探測(cè)粒子相互作用
XENON是一個(gè)國(guó)際合作組，最新一代XENONnT實(shí)驗(yàn)運(yùn)行于意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LNGS），用1400米的巖石屏蔽宇宙線干擾。實(shí)驗(yàn)的中心探測(cè)器是一個(gè)雙相時(shí)間投影室，其中靈敏區(qū)域有5.9噸高純液氙作為探測(cè)靶物質(zhì)。站在XENONnT實(shí)驗(yàn)裝置前（圖2），會(huì)看到10米高的大水罐，其中的700噸純水和中子、繆子反符合系統(tǒng)包圍著中心探測(cè)器，可以進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)的本底水平。水罐旁三層的輔助建筑里有多個(gè)先進(jìn)的子系統(tǒng)，保證探測(cè)器穩(wěn)定、高靈敏地運(yùn)行。
圖3.（左）太陽(yáng)硼-8中微子流強(qiáng)的測(cè)量結(jié)果（右）中微子與氙原子核相干彈性散射截面測(cè)量結(jié)果
龐大精巧的液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)不僅靠看得見(jiàn)的硬件系統(tǒng)，還有數(shù)據(jù)與軟件構(gòu)筑的物理分析金字塔。基于海量數(shù)據(jù)，分析人員一方面理解和刻畫探測(cè)器中太陽(yáng)中微子信號(hào)可能的分布，另一方面開(kāi)發(fā)一系列方法區(qū)分噪音和真正的信號(hào)事件。為了積累足夠的曝光量以獲得統(tǒng)計(jì)顯著度，從2021年7月7日到2023年8月8日，XENONnT實(shí)驗(yàn)采集了總有效曝光量為3.5噸·年的數(shù)據(jù)。為了避免主觀偏差，在確定好所有分析方案前，分析團(tuán)隊(duì)不能看到真正可能含有信號(hào)的數(shù)據(jù)。這種“盲分析”的方法是尋找稀有信號(hào)的領(lǐng)域共識(shí)。2024年7月初，在全合作組見(jiàn)證下，揭盲的數(shù)據(jù)中有37個(gè)事件，其中預(yù)期的噪音事件約為26個(gè)。這些事件特征與太陽(yáng)硼-8中微子信號(hào)相吻合，統(tǒng)計(jì)顯著度為2.7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，意味著多出的約10個(gè)事件只有千分之三的概率是由本底漲落造成。這標(biāo)志著暗物質(zhì)探測(cè)器首次探測(cè)到太陽(yáng)“中微子霧”。
相關(guān)研究成果由XENON合作組全體成員共同完成。清華大學(xué)物理系2021級(jí)博士生劉可欣和哥倫比亞大學(xué)2022級(jí)博士生徐大成（清華大學(xué)2022屆本科畢業(yè)生）在高飛指導(dǎo)下參與了大部分物理分析工作，并負(fù)責(zé)最大實(shí)驗(yàn)本底的壓低和預(yù)測(cè)，為此項(xiàng)突破成果作出關(guān)鍵貢獻(xiàn)。清華大學(xué)物理系劉可欣、哥倫比亞大學(xué)物理系徐大成和香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院葉靖強(qiáng)助理教授為論文的共同通訊作者。
清華大學(xué)物理系高飛副教授團(tuán)隊(duì)于2020年加入XENON國(guó)際合作組。2021年，高飛作為物理分析協(xié)調(diào)人（Analysis Coordinator）帶領(lǐng)物理分析團(tuán)隊(duì)首次嘗試?yán)肵ENON1T實(shí)驗(yàn)尋找太陽(yáng)硼-8中微子的蹤跡。在此基礎(chǔ)上，XENON合作組將探測(cè)太陽(yáng)硼-8中微子作為合作組最重要的物理分析課題之一。該研究得到清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191002
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191001
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
