近日，上海交通大学牵头的PandaX-4T实验利用纯电离信号获得了质量在质子以下的轻暗物质搜寻的世界最好结果。研究结果在《物理评论快报》发表，并获得“编辑推荐”【Phys. Rev. Lett. 130, 261001 】(Search for light dark matter with ionization signals in the PandaX-4T Experiment)。

图1： PRL“编辑推荐”介绍

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DOI：10.1103/PhysRevLett.130.261001

图2: 轻质量暗物质与氙原子核外电子散射的测量原理

暗物质直接探测实验对质量在GeV/c2以上重暗物质同原子核相互作用给出越来越强的限制，对更轻质量暗物质的探索已成为近些年研究关注的热点问题。轻质量暗物质和原子核外电子发生散射可以产生微弱的电子散射信号（图2）。这样信号可能仅会产生几个电离的电子，而探测器中其他微小的“涟漪”均可能会成为本底。以往的国际实验在该能量范围内均发现了大量未能理解的“超出”，只能得出对暗物质非常保守的限制。这次Pandax-4T实验开展了“盲分析”（分析直到最后一步才能看到真实的筛选事例），通过筛选纯电离事件将探测阈值从传统1keV显著降低至70 eV，并利用刻度数据和其他能区物理事件的波形特征对本底进行抑制。分析团队发现在3至10个电离电子信号区间，大部分本底由探测器电极上的微小放电构成，并基于一段专门采集的电极放电数据给出了对这部分本底的预期，首次实现了液氙实验在能区完整的本底模型。“盲盒”打开后，最终在0.55吨年（64.7 天）的曝光中发现了105个候选事例，符合本底预期，未发现显著的暗物质信号超出。利用该数据，PandaX-4T对40 MeV/c2到10 GeV/c2范围内的轻暗物质同电子的短程相互作用，或者100 MeV/c2到10 GeV/c2区间的轻暗物质同电子的长程相互作用，均给出国际最严格的限制（图3）。这一研究结果将此类探测的灵敏度提升了一个数量级，并检验了轻质量暗物质残余密度两种重要形成机制（冷却退耦freeze-in和热退耦freeze-out机制）。

图3： 轻质量暗物质和电子的散射截面限制

上海交通大学李政道研究所博士生李帅杰和中山大学物理学院博士生武蒙蒙为该论文的主要作者。上海交通大学物理与天文学院孟月副教授、周宁教授和中国科学技术大学林箐教授为该论文的通讯作者。

PandaX实验得到了教育部、科技部、上海市、四川省的大力支持，是自然科学基金委立项的重大项目。PandaX实验的合作单位包括山东大学、北京大学、中国科学技术大学、中山大学、北京航空航天大学、南开大学、复旦大学、原子能科学研究院以及雅砻江流域水电开发有限公司等，共有90多位科研工作者参与，美国、法国、西班牙、泰国部分科研单位也参与国际合作。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。