2021年粒子物理学热点回眸（上） | 回眸
今天我们介绍暗物质及中微子和粒子天体物理2个领域的研究进展，敬请期待下期内容！
随着理论和实验的不断发展，物理学家逐步建立了粒子物理的“标准模型”。
在这个模型下，整个宇宙的基本粒子分为4类，分别是夸克、轻子、矢量玻色子和标量希格斯粒子。
粒子物理标准模型
其中，矢量玻色子是相互作用的媒介子，通过规范作用传递着基本粒子之间的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。
所有的基本粒子通过和希格斯子发生相互作用而获得质量。随着2012年希格斯粒子在实验中发现，粒子物理标准模型完成最后一块“拼图”，证明了标准模型的巨大成功。
但是目前宇宙中仍然有许多标准模型解释不了的问题，表明粒子物理标准模型并不是“终极”理论，而是电弱能标下的“有效”理论，仍然有超出标准模型的新物理亟待去发掘，这也是当前粒子物理学界的主要研究内容。
暗物质研究
暗物质超出了粒子物理标准模型，是当今物理学和天文学亟待解决的重大问题，在实验中探测到暗物质并研究其物理属性，将是物理学的重大突破。
暗物质实验探测有3个主要方向——直接探测、间接探测和对撞机探测。
国际新一代暗物质直接探测实验PandaX-4T 4t级液氙实验率先投入运行，取得大质量暗物质世界最强的限制。
间接探测包括暗物质粒子探测（DAMPE）和AMS-02空间实验积累了更多数据，给出更加精确的测量。
欧洲核子研究中心大型强子对撞机LHC上的暗物质寻找不断深入更加复杂的参数空间，并为即将开始的Run-3阶段取数做准备。
中国锦屏地下实验室（CJPL）是世界上最深的实验室，有效屏蔽了来自宇宙线的干扰，提供了极其优越的实验环境，中国开展了PandaX液氙实验和CDEX高纯锗实验直接探测暗物质。
近20年来，位于意大利的DAMA/LIBRA实验一直宣称观测到暗物质在NaI(Tl)晶体中产生的年调制信号，然而相应的暗物质信号参数被各种类型的直接探测实验所排除。
为了更加确切地检验这个疑似信号，国际上试图用同样的低本底NaI(Tl)晶体开展实验。
2021年5月，西班牙Canfrac地下实验室采用112.5 kg的低本底NaI(Tl)晶体探测器的ANAIS实验公布了3年曝光量的探测结果，并没有发现显著年调制现象。预计到2022年底，该实验将有超过3倍标准偏差灵敏的曝光量，可以给出更加确切的结论。
ANAIS实验3 a曝光量结果
另一个采用106 kg低本底NaI(Tl)晶体的COSINE-100实验，在韩国Yangyang地下实验室1.7 a曝光量的数据，也没有发现显著的年调制现象。
COSINE-100实验1.7 a曝光量结果
2020年，位于意大利Gran Sasso地下实验室的XENON1T液氙实验在0.65 t·a曝光量的低能量电子反冲数据中，观测到了大于3倍标准偏差的疑似信号，引起了暗物质理论和实验研究领域的广泛关注，亟需同类型实验的进一步检验。
中国PandaX-II二期580 kg级液氙实验积累了100 t·d的曝光量数据，直接从刻度数据中获取了氙中主要的放射性杂质本底的特征谱，进而根据这些高可靠性的本底特征谱对电子反冲数据进行分析。
PandaX-II的结果显示，XENON1T观测的疑似信号和当前数据并不矛盾，还需要提高数据统计量和探测灵敏度以给出确定性结论。
PandaX-II实验对轴子暗物质耦合常数（a）和中微子反常磁矩（b）的排除限，和XENON1T的疑似信号并不矛盾
国际上开展了多种类型暗物质探测的实验升级和研发，3个以液氙作为靶物质的实验，位于中国的PandaX-4T、欧洲的XENONnT和美国的LZ实验，将探测体量提升到了多吨级，预期能够将探测灵敏度比之前提升1个数量级以上。
其中，PandaX-4T液氙实验在2020年底完成安装和调试，成为国际上首个投入运行的多吨级液氙探测实验，在2021年上半年试运行的曝光量达到0.63 t·a。
PandaX-4T探测器中应用了一系列新技术：研制了新一代超大尺寸高透光的时间投影室探测器，大幅提高了探测器电场的均匀性和电子信号放大率，实现高分辨率的信号重建；采用了无触发数据读出方式，有效降低了微弱信号的探测阈值；研制了新型低温精馏氙系统，成功提纯6 t原料氙，将放射性杂质氪85的含量降低到PandaX-II时的1/20；有效利用液氙自屏蔽并结合多种放射性测量方法和表面清洗工艺，将单位探测靶中放射性本底降低到1/20，放射性杂质氡222的含量降低到1/6。
PandaX-4T首批数据的探测灵敏度较PandaX-II提升了2.6倍，给出了大质量暗物质和原子核自旋无关散射截面世界最强的限制。
PandaX-4T首批数据
对暗物质自旋无关散射截面的排除限
黄色区域为“中微子地板”，即探测灵敏度可以探测到太阳或大气中微子在探测器中的信号贡献
这批数据也显示，在暗物质质量10 GeV/c2附近区域，PandaX-4T实验开始触碰到所谓的“中微子地板”，即有可能探测到太阳中核聚变产生的硼8中微子同氙原子核的相干散射信号，这种散射将是未来探测中微子的一个重要途径。
与此同时，国际上开始计划几十吨级“终极”液氙探测实验，其中一个目标是将暗物质探测灵敏度推进到“中微子地板”。PandaX实验团队已经开展了相应的关键技术研发。
以液氩为靶物质的探测器对大质量暗物质也有独特的探测灵敏度，几十吨级的低本底氩探测器的研发也在持续推进中。
中国CDEX实验利用点电极高纯锗探测器，可实现低能量阈值的探测，对轻质量暗物质具有高灵敏度。
2021年CDEX实验公布了利用942.5 kg·d曝光量的数据寻找有效场暗物质信号的结果。
直接探测实验中，暗物质和靶物质相互作用转移动量小，可以用有效场算符的形式系统地研究，从而实现较为全面的覆盖多种可能的暗物质理论模型。
在分析中，CDEX实验将探测阈值降低到160 eV，针对小质量暗物质，系统性地给出了非相对论下多种类型有效场模型的耦合常数上限。
对一种自旋无关有效场耦合常数的排除限
同时，利用手征有效场理论，获得了6 GeV/c2质量以下世界最强的WIMP与pion介子散射截面的排除限。
暗物质和pion介子散射截面的排除限
目前CDEX实验正在开展50 kg级高纯锗探测阵列实验的研发，预期将探测灵敏度提高2个数量级以上。
针对小质量暗物质，直接探测实验也尝试不同探测方案来突破探测阈值的限制。
液氙探测实验通过独立电离电子信号（S2-only）、Migdal或韧致辐射等次级效应来寻找小质量暗物质。
如PandaX实验在2021年初发表的S2-only数据分析结果，寻找暗物质和电子散射信号，在15~30 MeV/c2暗物质质量区间给出世界最强的散射截面限制。
PandaX实验对暗物质和电子散射截面的限制
SENSEI实验采用了约2 g的高阻抗Skipper-CCD，在2020年底发表了24 d运行数据的结果，给出0.5~10 MeV/c2质量的暗物质和电子散射信号世界最强的限制，以及1.2~12.8 eV/c2质量的暗光子世界最强的限制。
SENSEI实验正在组装测试100 g探测模块，将大幅度提升该质量范围的暗物质探测灵敏度。
SENSEI实验对暗物质和电子散射截面的限制
在暗物质间接探测方面，中国暗物质探测卫星DAMPE实验和位于国际空间站的AMS-02实验继续积累数据。
2021年发表了AMS-02实验运行7 a以来的物理数据，给出更加精确的反电子、反质子等测量结果。
AMS-02运行7 a的反电子谱，在高能量部分的来源可以用暗物质模型来拟合，需多方面的验证
在对撞机探测方面，大型强子对撞机LHC上的ATLAS和CMS实验不断深入分析Run-2运行时期的全部数据，寻找暗物质产生过程以及中间传播子信号。
对撞机探测不受原子核自旋大小的压制，通过寻找夸克或者胶子湮灭产生暗物质的过程，以及通过双喷注共振峰直接寻找轴矢量中间传播子，在一定的耦合常数下，可以有效补充直接探测实验的结果。
ATLAS实验多个反应道分析综合给出暗物质和原子核自旋相关相互作用截面排除限
对撞机实验同时在寻找一些复杂过程的暗物质模型，其中，暗希格斯子模型认为暗物质的质量起源有可能也存在类似希格斯子的破缺机制——暗希格斯子，暗希格斯子可以有和希格斯子类似的衰变过程。
ATLAS实验在2021年发表了首个暗希格斯子衰变到2个矢量玻色子最终态的寻找结果，对中间传播子和暗希格斯子质量给出了限制。
ATLAS实验对暗希格斯子寻找的最新结果
LHC第三期取数Run-3即将开始，将累计更多的数据量进一步扫描多种暗物质产生模型。
中微子和粒子天体物理研究
粒子天体物理和粒子物理研究紧密联系，宇宙线具有地球上人造加速器无法达到的高能量，为我们认识极端高能物理过程、寻找新物理提供了宝贵的物质样本。
2021年粒子天体物理领域最显著的成果来自中国国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站LHAASO。
LHAASO于2021年完成建设并顺利通过工艺验收，正式进入科学运行阶段，以前所未有的灵敏度开展伽马射线、宇宙线巡天观测。
在建设期间，基于1/2阵列数据，LHAASO合作组发布了首批观测结果：发现银河系中大量超高能宇宙加速器，为寻找河内宇宙线起源做出了重要推进；记录到能量达1.4 PeV的伽马射线光子，这是人类迄今为止观测到的最高能量光子，开创了超高能伽马射线这一崭新的天文窗口。
蟹状星云是首批发现的12个超高能伽马射线源之一，一直作为伽马射线天文学的“标准烛光”，LHAASO的最新结果为此“标准烛光”在超高能波段设定了亮度标准。
LHAASO观测到来自蟹状星云方向的0.88 PeV伽马射线光子
这些超高能伽马射线辐射产生PeV以上能段的电子，接近经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限，对现有的粒子加速理论提出了严峻挑战。
未来几年，LHAASO将持续对北天区开展巡天观测，扫描伽马射线源并精确测量“膝”区宇宙线能谱，冲击宇宙线起源的世纪之谜。
另一种来自宇宙深处的重要物质样本是高能中微子。
2021年，位于南极冰层中的冰立方中微子天文台公布了首个格拉肖共振事件——格拉肖预言，反电子中微子可与电子相互作用生成W-玻色子。产生格拉肖共振的中微子峰值能量为6.3 PeV，可从极端天体环境中得到。
冰立方在此次簇射事例中测得6.05±0.72 PeV的能量，考虑到簇射中的不可见能量，中微子能量被修正为约6.3 PeV；事例中测到次级缪子的信号预示着W-玻色子的强子衰变过程，为格拉肖共振提供了进一步证据。
冰立方的格拉肖共振事件再次验证了粒子物理标准模型，揭示了天体反电子中微子的存在。
对格拉肖共振事件的观测有望对天体中微子的产生机制做出限制。
未来几年是中微子天文学发展的关键时刻，国内外多个实验组提出了冰层、海洋、湖泊中的多种下一代中微子望远镜方案，结合伽马射线、宇宙线、引力波的观测数据开展多信使天文学研究。
在超出标准三味中微子模型的新物理寻找方面，位于美国费米国家加速实验室的MicroBooNE实验发布了新的测量结果，没有找到惰性中微子存在的迹象。
此前，LSND、MiniBooNE等短基线实验相继发现中微子的数量异常，引入第四种中微子——惰性中微子。
MicroBooNE实验没有找到惰性中微子，表明其中的差异还需要进一步研究，中微子数量异常仍然是未解之谜。
2021年，国际无中微子双贝塔衰变实验方向发展势头迅猛。
大型实验中，CUORE和Kam⁃LAND-ZEN实验分别继续取数，GERDA的继任实验LEGEND-200即将开始运行。
国内无中微子双贝塔衰变实验在最近几年蓬勃发展，多个实验组提出了多种不同的实验方案，再次彰显了马约拉纳中微子这一问题的重要性和显著度。
2021年，中国江门中微子实验的建设进展顺利，预期2023年开始取数，剑指中微子质量顺序、中微子混合参数的精确测量，有望率先获得具有国际竞争力的实验成果。
明天将介绍缪子反常磁矩研究、重味与强子物理研究、高能量前沿希格斯物理、电弱物理与新物理寻找这3个领域的进展，敬请关注！
本文作者：何吉波，Kim Siang Khaw，李数，周浩，周宁
作者简介：何吉波，中国科学院大学物理科学学院、科大杭州高等研究院基础物理与数学科学学院，教授，研究方向为高能物理实验；Kim Siang Khaw（共同第一作者），上海交通大学李政道研究所、上海交通大学物理与天文学院，李政道学者，研究方向为高精度前沿缪子物理实验；李数（共同第一作者），上海交通大学李政道研究所、上海交通大学物理与天文学院、北京大学高能物理研究中心、宿州学院机械与电子工程学院，李政道学者，研究方向为高能物理实验；周浩（共同第一作者），上海交通大学李政道研究所、上海交通大学物理与天文学院，李政道学者，研究方向为粒子天体物理实验；周宁（共同第一作者），上海交通大学物理与天文学院，特别研究员，研究方向为高能物理实验。
论文全文发表于《科技导报》2022年第1期，原标题为《2021年粒子物理学热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。
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