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PandaX实验发布利用二期全部数据对暗物质和轴子等新物理寻找结果

最近,PandaX合作组副发言人、上海交通大学特别研究员周宁在国际高能物理大会(ICHEP2020)发布了利用二期实验全部数据开展的暗物质和轴子等新物理寻找的最新结果。合作组于8月20日召开网上报告会,由主导数据分析的马里兰大学博士生张丹和北京航空航天大学的周小朋博士共同向学术同行公布详细分析过程。这两个最新结果,这两个最新结果,一方面通过原子核反冲数据搜寻高质量暗物质,对质量在10GeV/c2附近的暗物质给出世界最强的限制;另一方面通过电子反冲数据对近期XENON1T实验观测到的能谱超出开展了直接检验。

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PandaX氙探测实验利用气液两相型时间投影室探测技术,通过测量暗物质等稀有物理事件在液氙中产生的发光和电离信号,进而得到信号发生的位置和能量。其中暗物质粒子在探测器中产生氙原子核反冲事件,而太阳轴子或中微子信号则产生电子反冲事件。两相型探测器能够通过测量光电信号大小的比值,对这两种反冲信号进行有效判别。

PandaX二期实验从2016年开始运行,到2019年6月正式结束,有效低本底数据曝光量接近132吨´天,其中2016和2017年公布的33吨´天和54吨´天的结果均取得了当时国际上最强的对暗物质-核子相互作用的限制。此次在全部数据的分析中,上海交大谌勋副研究员组织张丹、中科院应用物理所博士生王秋红及分析小组对信号重建算法、探测器响应模型和本底估算方法做了一系列改进,进一步提高了对信号的灵敏度。最终利用原子核反冲数据在暗物质质量在10GeV/c2附近给出了暗物质与核子自旋无关散射截面的世界最强限制,该结果已经被《Chinese Physics C》接收。在暗物质取数的间隙,实验组对探测器进行了大量的刻度,不断完善探测器响应模型,并精确测量了探测器主要本底来源(混合在氙中的氪,氡,氚等放射性杂质)的能谱。基于这些直接测量的本底特征谱,合作组利用电子反冲数据对XENON1T实验观测到的低能电子反冲疑似信号进行了直接检验。分析结果显示,XENON1T的疑似信号强度在PandaX实验给出的限制之内,因此疑似信号的来源需要下一代更加灵敏的液氙探测器给出确切的答案,该结果由周小朋及交大两位博士生曾鑫宁、宁旭阳主导完成,文章的通讯作者为特别研究员韩柯和周宁,目前已经正式投稿《Physical Review Letters》。

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PandaX实验的下一代四吨级液氙探测器正在四川锦屏地下实验室紧张建设和调试中,预期2021年能够开始运行。在两年的数据积累量下,探测灵敏度将比目前提高一个数量级,能够覆盖大量的暗物质和轴子等新物理信号的参数空间,非常值得期待。

该研究得到了上海交通大学、上海市科委、科创办、自然科学基金委、山东大学、四川省科技厅等机构的资助。

周宁
物理与天文学院