暗物質(zhì)是物理學(xué)前沿的十大基本問(wèn)題之一。天文學(xué)和宇宙學(xué)中一系列的觀(guān)測(cè)都表明，非重子的暗物質(zhì)是宇宙中的重要組成成分，越占30%，遠(yuǎn)高于普通物質(zhì)的5%。然而，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型卻無(wú)法為暗物質(zhì)提供候選粒子，這預(yù)示著超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的存在。目前為止，已經(jīng)有許多暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)試圖通過(guò)暗物質(zhì)散射特定靶材料中的原子核來(lái)搜尋銀暈中質(zhì)量接近或大于質(zhì)子質(zhì)量(~ 1 GeV/c2)的暗物質(zhì)，但并未明確發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)跡象。因此，質(zhì)量介于keV/c2到GeV/c2之間的輕質(zhì)量暗物質(zhì)越來(lái)越受到關(guān)注。輕質(zhì)量暗物質(zhì)測(cè)量的主要挑戰(zhàn)在于暗物質(zhì)粒子動(dòng)能過(guò)低，在與靶材料原子核彈性散射時(shí)只將很少的動(dòng)能轉(zhuǎn)移至反沖核，而利用暗物質(zhì)與靶材料核外電子之間的非彈性散射則成為一種可行的方案。
近日，PandaX氙探測(cè)實(shí)驗(yàn)合作組在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters) 126卷第21期上以“Search for Light Dark Matter–Electron Scattering in the PandaX-II Experiment”為題發(fā)表了尋找輕質(zhì)量暗物質(zhì)-電子散射的最新結(jié)果[Chen Cheng et al. (PandaX-II Collaboration), Phys. Rev. Lett. 126, 211803 (2021)]。我校物理學(xué)院王為團(tuán)隊(duì)博士程晨為第一作者。通過(guò)PandaX-II暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行積累的46.9噸天數(shù)據(jù)，此次研究一共收集到1821個(gè)候選事例，重點(diǎn)針對(duì)15到30?MeV/c2區(qū)間的輕質(zhì)量暗物質(zhì)，得到目前世界范圍內(nèi)最嚴(yán)格的散射截面排除曲線(xiàn)。
圖1. 輕質(zhì)量暗物質(zhì)-電子散射截面排除曲線(xiàn) (90% C.L.)
PandaX氙探測(cè)實(shí)驗(yàn)是建在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)國(guó)際性大科學(xué)合作項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)由十多個(gè)學(xué)術(shù)單位和組織，50多位科學(xué)家參加，參與國(guó)際合作的單位來(lái)自美國(guó)，法國(guó)，西班牙，泰國(guó)等國(guó)家。為了進(jìn)一步尋找和研究暗物質(zhì)，下一代噸級(jí)液氙探測(cè)器，PandaX-4T正在已經(jīng)在四川錦屏地下國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(CJPL)緊張地試運(yùn)行中，期待PandaX-4T的設(shè)計(jì)指標(biāo)具有更低探測(cè)閾值、更低放射性本底以及、更大的曝光量下，預(yù)計(jì)對(duì)輕質(zhì)量暗物質(zhì)以及其他的暗物質(zhì)候選者的探測(cè)靈敏度在不久的將來(lái)將得到顯著的提高。
該研究得到了科技部暗物質(zhì)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目，上海市科委重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)，四川省科技廳省校聯(lián)合項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。
