我国学者在深地实验室暗物质直接探测方面取得进展

图1 （左）中国锦屏地下实验室；（右）CDEX-10实验系统示意图

图2 CDEX-10给出的暗物质-电子相互作用灵敏度限制：（左）重媒介子情况下给出的排除线，在质量大于100 MeV/c²的暗物质质量区间内，给出了固体探测器实验中对暗物质-电子相互作用截面最灵敏的限制；（右）轻媒介子情况下给出的排除线

图3 （左）费米子暗物质-核子中性流吸收反应截面的排除线；（右）暗物质-核子非弹性散射反应截面的排除线

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12175112、12005111、11725522）等资助下，清华大学牵头的中国暗物质实验（China Dark matter Experiment, CDEX）合作组对轻质量暗物质进行搜寻，在暗物质与电子的相互作用以及与核子的吸收和非弹性散射反应研究中取得进展。成果分别以“基于CDEX-10实验对sub-GeV质量暗物质与电子相互作用的限制（Constraints on Sub-GeV Dark Matter–Electron Scattering from the CDEX-10 Experiment）”和“基于中国锦屏地下实验室CDEX-10实验的奇异暗物质搜寻（Exotic Dark Matter Search with the CDEX-10 Experiment at China’s Jinping Underground Laboratory）”为题，于2022年11月21日和23日同期在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.221301；https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.221802。

　　大量的天文学观测支持了暗物质的存在，在深地实验室中对暗物质进行直接探测是证明暗物质存在、了解暗物质性质的重要手段。受限于探测器的阈值，轻质量（MeV/c²量级）暗物质难以通过其与核子弹性散射的信号来探测搜寻。轻暗物质与电子的相互作用或与核子的吸收或非弹性散射反应产生的信号明显，这为轻暗物质的实验直接探测提供可能。

　　CDEX-10实验在中国锦屏地下实验室开展，通过液氮直冷方式运行10公斤高纯锗探测器阵列（图1），达到了国际上同类探测器最低的分析阈值（160 eVee），获取了超过200公斤·天的实验数据用于轻质量暗物质的分析。合作组对暗物质与锗原子核外电子的相互作用进行研究，在>100 MeV/c²质量能区给出了固体探测器实验中对暗物质-电子反应截面最严格的限制（图2）；合作组对费米子暗物质-核子中性流吸收反应和暗物质-核子非弹性散射反应进行研究，将暗物质-核子反应截面的限制下推到了10 MeV/c²左右的轻质量区间，刷新了目前暗物质直接探测实验对这两种反应截面限制的质量下限（图3）。

　　本项研究利用高纯锗探测器技术路线在轻质量暗物质搜寻中的低阈值优势，对低质量的暗物质进行搜寻，拓宽了暗物质直接探测的质量区间。