【科研进展】PandaX-4T实验发表通过暗媒介子传递的暗物质-核子相互作用的最新约束

近日，PandaX-4T液氙实验合作组，联合粒子物理理论学家山东高研院的霍然副研究员和加州大学河滨分校的郁海波教授，利用PandaX-4T在极低反冲能区的数据和所谓的Migdal效应，给出了对轻暗物质和核子通过暗媒介子传递相互作用的最新约束。这些结果发表于 《物理评论快报》上。

暗物质的性质是现代科学的重大谜团之一，其中一个重要问题是暗物质如何与普通物质发生引力之外的相互作用。通常的理论模型认为由一种全新的暗媒介子来传递暗物质和普通物质的作用。下图展示的是暗物质和原子核散射的示意图，暗物质直接探测实验正是通过搜寻原子核碰撞后的反冲能来探测暗物质的信号。

暗媒介子也将暗物质直接探测同暗物质的湮灭过程紧密联系在了一起。如果在上图对应的反应式中将初态的原子核和末态的暗物质互换位置后，就会对应早期宇宙中暗物质的湮灭过程：那时处于热平衡的暗物质通过暗媒介子湮灭为普通物质（见下图），而伴随着宇宙膨胀暗物质粒子越来越难碰到一起从而从热平衡下“退耦“。热退耦的暗物质是解释当今宇宙中观测到的暗物质残余丰度的最主流模型。

传统的暗物质直接探测实验会假设一个很重的媒介子，当媒介子质量远大于碰撞过程中的动量转移时，原子核的反冲能谱形状就和媒介子质量几乎无关了。但是反过来，当媒介子质量同核反冲的动量转移相比不可忽略时，核反冲能谱变软，且同媒介子质量强相关，理想情况下携带了媒介子的信息。

然而，现实中的暗物质探测器均存在有效阈值，由于暗物质传递给原子核的最大动能正比于暗物质质量的平方，阈值效应对轻质量暗物质探测的影响尤为突出。对于液氙探测器，当暗物质质量低于几个GeV时，氙核获得的反冲能几乎无法超过探测器的阈值，暗媒介子带来的能谱变软特征也会受到阈值的影响。因此，对极低反冲能事件进行有效的探测和重建是暗物质直接探测实验面临的重要挑战。

在本研究中研究人员利用了PandaX前期发布的专门针对极低反冲能事件优化的数据集，即1）闪烁光信号（S1）的选择阈值压低至单光电子【PRL 130, 021802 (2023)】，2）放弃S1，选择更低反冲能的单电离信号（S2-only）【PRL 130, 261001 (2023)】。为了进一步提升对极低反冲能事件的灵敏度，研究人员利用了一种被称为Migdal效应的原子机制：当暗物质和原子核碰撞后，原子核本身的反冲能可能远低于探测器的阈值，但是由于原子核和核外电子云产生的瞬间的位移，该位移和恢复会伴随一定几率电子的电离和激发，从而产生超过探测器阈值的信号。利用Migdal效应的效果显著。比如，对于传统的重媒介子暗物质，PandaX-4T之前只能有效限制质量大于3GeV的暗物质-氙原子散射，而新的研究中暗物质质量的区间下限降低了100倍至30MeV！从下图中可以看到，在30MeV-1GeV的广泛质量区间，PandaX-4T实验对暗物质和核子的自旋无关散射截面取得了国际最强的实验限制（最低的一条红线）。对其他两种不同质量的轻媒介子暗物质模型的限制也由图上的另两条红色曲线表示。

以上的实验限制可以转化为对早期宇宙暗物质湮灭过程的限制。一个较为普遍的模型是暗物质为一种标量粒子，通过暗光子和普通光子的动力学混合，在宇宙早期热退耦成今天的残余密度。在暗光子质量远大于两倍暗物质质量的前提下，下图中黑线是其对应的理论预言值。PandaX-4T的数据可以排除该模型暗物质质量为40MeV到1GeV 的区间。值得指出的是，未来的专门的暗光子实验，比如李政道研究所发起的DarkSHINE实验，将会探测PandaX实验尚未探测的更低质量的暗物质区间。

上海交通大学物理与天文学院博士生黄迪为该论文的第一作者。学院的杨勇副教授、山东高研院的霍然副研究员、加州大学河滨分校郁海波教授为该论文的共同通讯作者。

本研究得到了国家自然科学基金、上海市科委、中国博士后基金、上海交通大学双一流基金以及李政道研究所实验平台建设基金等的支持。PandaX实验得到了中国锦屏地下实验室的长期支持，该实验室由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同建设、管理。PandaX项目和人才还得到了香港鸿文基金会、腾讯基金会和阳阳发展基金的资助。

01

论文链接（点击【阅读原文】查看）

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.191002

02

Physics Focus专题报道

https://phys.org/news/2023-11-underground-detectors-cosmic-secrets-exploring.html

图文编辑：刘真

责任编辑：叶丹、朱敏

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