清華大學(xué)：最新確定“暗光子”最嚴(yán)格探測限制！

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宇宙學(xué)和天體物理觀測表明，宇宙總能量密度約四分之一，是由一種被稱為暗物質(zhì)的非常規(guī)類型的物質(zhì)組成。這類物質(zhì)被認(rèn)為是由不吸收、發(fā)射或反射光的顆粒組成，因此不能用傳統(tǒng)的檢測方法直接觀察到。世界各地的科學(xué)家都在進(jìn)行旨在探測宇宙中暗物質(zhì)的研究，但到目前為止，還沒有一項研究取得成功。即使是暗物質(zhì)的首選候選者，弱相互作用的大質(zhì)量粒子(WIMP)，也還沒有在實驗上被觀測到。

中國暗物質(zhì)實驗(CDEX)合作，清華大學(xué)和中國其他大學(xué)的一個大型研究團(tuán)隊，現(xiàn)在進(jìn)行了一項不同的可能暗物質(zhì)候選者搜索，被稱為暗光子。雖然搜索沒有成功，但其研究發(fā)表在《物理評論快報》上，確定了暗光子參數(shù)的新限制條件，這可能會為未來的研究提供信息。開展這項研究的研究人員之一錢悅（音譯）表示：暗光子是一種假想的不可見粒子，它是一個很有吸引力的暗物質(zhì)候選者，它也可能是暗物質(zhì)和正常物質(zhì)之間新的相互作用媒介。

對暗物質(zhì)的研究和探測可能有助于粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型(SM)的延伸，并擴(kuò)大我們對宇宙的認(rèn)識。CDEX合作使用安裝在中國錦屏地下實驗室(CJPL)的10千克p型點接觸鍺探測器，已經(jīng)進(jìn)行了一段時間的輕暗物質(zhì)搜索。錦屏地下實驗室也是世界上最深的地下研究設(shè)施，巖石覆蓋層達(dá)2400米。研究人員使用的探測器由三個三元素鍺探測器串組成，周圍環(huán)繞著20厘米厚的高純度無氧銅，銅起到了被動屏蔽環(huán)境輻射的作用。

該儀器直接浸泡在液氮中，以保持相對較低的溫度。暗光子可以通過在鍺探測器中吸收和轉(zhuǎn)換成電子的實驗來探測，這個過程類似于SM光子的光電效應(yīng)，暗光子可以通過吸收和轉(zhuǎn)換成電子的方式在實驗中被探測到，這個過程類似于SM光子的光電效應(yīng)。強烈的光子源，如太陽，為尋找暗光子提供了一個極好的平臺。在100 eV范圍內(nèi)，點接觸鍺探測器的低能量閾值特別適合研究暗光子。

在新研究論文中，清華大學(xué)研究人員及其合作者分析了2017年2月至2018年8月期間使用錦屏地下實驗室探測器收集的數(shù)據(jù)，尋找太陽暗光子和暗光子，這兩種都是暗物質(zhì)候選者。雖然研究人員無法觀察到指向這兩個候選光子中任何一個的信號，但設(shè)法對暗光子和SM光子之間的有效動力學(xué)混合參數(shù)設(shè)置了限制。作為暗物質(zhì)一個有吸引力的候選者，以及暗物質(zhì)和正常物質(zhì)之間新的可能相互作用媒介，暗光子對進(jìn)一步的理論和實驗工作很有吸引力。

研究探索了一個新的參數(shù)空間，并在直接探測實驗中對太陽暗光子設(shè)定了最嚴(yán)格的限制。這項研究提供了一些有價值的新反饋，這些反饋可能會為未來尋找暗物質(zhì)，特別是暗光子提供信息。此外，研究加強了目前全世界對探索其他候選暗物質(zhì)的興趣，超越了WIMP及其與原子核彈性散射的探測通道。為了進(jìn)一步推進(jìn)對暗物質(zhì)的搜索，研究人員計劃將在未來兩年內(nèi)在錦屏地下實驗室-II實驗室的C廳重新安裝CDEX-10探測器陣列。

這個新的、更大的液氮冷藏箱體積約為1700立方米，那里由6米厚的液氮提供對環(huán)境放射性的屏蔽，計劃在冷藏箱中部署額外的鍺探測器，最高可達(dá)100公斤，背景減少，探測效率更高。

博科園｜研究/來自：清華大學(xué)

Copyright Science X Network Ingrid Fadelli/Phys

參考期刊《物理評論快報》

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