科技前沿 | 科学家首次完成对宇宙线加速暗物质全链条研究
宇宙线（CR）加速的轻暗物质（DM） 受访者供图
近日，上海交通大学牵头的PandaX实验（“熊猫”实验）合作组在《物理评论快报》以“编辑推荐”论文形式，发表了PandaX-II二期实验寻找宇宙线加速轻暗物质的结果。这是首次由暗物质直接探测实验开展数据分析寻找这一信号，也是PandaX实验组首次同国内理论学者合作完成从唯象理论提出到实验探测的全链条研究。
该研究采用的信号探针，是由上海交通大学李政道学者葛韶锋、中国科学院紫金山天文台研究员袁强，以及上海交通大学物理与天文学院副教授周宁、教授刘江来在另一篇合作文章中提出的：来自银河系宇宙线加速的轻暗物质，由于地球自转和屏蔽效应导致的恒星日周期性调制特征。该探针模型依赖性低，结果具有很强的普适性。
近年来，对质量在GeV/c2以下的轻暗物质的研究备受关注，但由于质量过轻、产生的核反冲信号的能量过低，不能被探测器捕捉。
PandaX实验组针对新型的恒星日调制信号，对暗物质穿过岩石进入锦屏地下实验室的过程做了细致的蒙特卡洛模拟，完整包含了核形状因子和角度偏转的效应，并且考虑了弹性散射过程的适用范围，最终得到了可靠的地球屏蔽效应。实验组提取了PandaX-II二期580公斤液氙探测实验400天全部曝光数据的恒星时信息，对相应的原子核反冲信号区，利用数率和能谱随着恒星时的分布，对宇宙线加速轻暗物质展开了细致搜寻。
得益于PandaX实验的低放射性本底和大曝光量，实验组对轻暗物质给出了严格限制。研究结果表明，PandaX液氙直接探测实验可以覆盖GeV/c2质量以下前所未及的很大参数空间，排除了暗物质—核子在10-31平方厘米和10-28平方厘米三个数量级的散射截面。
“这是第一个由暗物质直接探测实验组采用宇宙线加速暗物质手段给出的限制，超越了宇宙学和天文观测对轻暗物质的限制。”论文通讯作者之一周宁对《中国科学报》说，“目前新一代PandaX-4T四吨级液氙探测实验正在紧张取数中，具有更低的本底水平和更高的探测灵敏度，将进一步扫描轻暗物质的参数空间。”
来源：中国科学报
编辑：李艳茹
校对：左茜
初审：薛腾霄
终审：刘波
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