近日，上海交通大学牵头的PandaX合作组在《物理评论快报》上以两篇“编辑推荐”论文分别发表了PandaX-4T上寻找费米子暗物质被电子吸收和原子核吸收的信号（Fermionic Absorption Dark Matter）的探测结果【PRL 129, 161803 (2022)，PRL 129, 161804 (2022)】。这是首次由暗物质直接探测实验开展分析寻找这一吸收型轻暗物质新型信号，美国物理学会《Physics》杂志以“An Absorbing Dark Matter Experiment” 和“Potential Dark Matter Signal Gives Way to New Limits”为题为这两篇文章做了亮点报道。
相关文章链接：
https://physics.aps.org/articles/v15/s138
https://physics.aps.org/articles/v15/159
图1: 位于锦屏地下实验室的PandaX-4T液氙探测实验
对轻暗物质的探测，近年来成为研究关注的热点问题。但由于星系中暗物质的速度只有几百公里每秒，轻暗物质和原子核的弹性散射不足以产生足够大的核反冲，难以克服实验能量阈值限制从而被观测到。与此不同，费米子暗物质如果被电子或者原子核吸收后变成中微子，是个非弹性散射过程，非常类似于惰性中微子被原子吸收后的信号。根据爱因斯坦提出的质能关系，初态暗物质具有静能量E=mc2，加上末态中微子的质量几乎为零，暗物质质量会转化为末态中微子和电子或原子核的动能。因此，即使是小质量的暗物质，也能够通过该过程产生足够大的电子反冲或者原子核反冲信号，以克服能量阈值限制，从而被实验探测到。这为暗物质直接探测实验探测几十keV到几十MeV质量的轻暗物质打开了一个新窗口。
图2: 吸收型暗物质信号示意图
原子中电子的运动会对费米子暗物质被电子吸收的信号造成明显影响。星系暗物质可近似看成处于静止状态，如果初态电子也处于静止状态，末态电子的能量会是一个固定值，由暗物质的质量决定。但由于原子中的电子在不断绕着原子核运动，具有不可忽略的能动量，末态电子的能量变成一个尖峰状分布。尖峰的位置由暗物质的质量决定，而峰的宽度则反映了初态电子在原子中的状态。不同能级的电子，其对应的反冲电子信号具有不同的能量分布，实验看到的是各轨道电子反冲信号的叠加。这种暗物质在直接探测实验中，具有非常独特的信号特征。
PandaX合作组针对费米子暗物质被电子吸收的特征信号，进行了深入分析，并采用最新的吨级实验PandaX-4T数据，总计0.63吨年的曝光量，第一次给出了对这类暗物质的实验限制。得益于PandaX-4T的大体量、低本底、和良好的能量分辨率，能对这类暗物质给出最好的探测灵敏度。尤其是对质量在50keV附近的轻暗物质，散射截面的上限达到3x10-50cm2(axial-vector operator)。这一地面实验首次获得的结果，已经超越了天文和宇宙学的限制。值得一提的是，此种暗物质的模型可以用来解释两年前XENON1T发表的电子反冲信号【PRD 102, 072004 (2020)】，但本次结果并不支持XENON1T的结论，近期XENONnT最新发表的文章也同样排除了XENON1T之前的电子反冲信号【PRL 129, 161805 (2022)】。
非常类似于电子吸收反应道，原子核吸收暗物质，在直接探测实验中核反冲信号能谱上产生独特的单能量峰的形状特征，这和传统暗物质产生的大范围核反冲能量信号完全不同。为了研究这种窄能谱核反冲信号，PandaX合作组系统研究了低能核反冲信号在PandaX-4T探测器的能量分辨率，结合数据驱动和模拟仿真的技术检验了核反冲信号响应模型。在此基础上，PandaX实验在国际上首次在核反冲信号区中开展了窄能谱扫描，对于质量在40MeV附近的轻暗物质，实验将探测灵敏度推到了1.5x10-50cm2的水平。该结果对新物理理论可以做出严格的检验，比如对同传递弱相互作用的Z玻色子类似的Z’玻色子的限制远强于对撞机实验。
图3: （上）电子吸收暗物质散射截面的限制
（下）原子核吸收暗物质散射截面的限制
电子吸收结果文章的第一作者是马里兰大学博士生张丹（现为华盛顿大学博士后），与上海交大李政道学者、物理与天文学院葛韶锋副教授同为通讯作者，理论团队还包括上海交大讲席教授何小刚、赵忠尧博士后马小东以及博士生盛杰。实验文章和前期理论唯象文章【JHEP 05 (2022) 191】构成了又一个完整的理论实验相结合的研究。原子核吸收结果文章的第一作者是上海交通大学博士生顾琳慧，物理与天文学院周宁副教授和博士后陶奕为共同通讯作者。PandaX实验合作组由刘江来教授担任发言人。
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（雅砻江水电）等，共有70多位科研工作者参与，美国、法国、西班牙、泰国几家单位也参与国际合作。中国锦屏地下实验室由清华大学和雅砻江水电共同开发、管理。本研究工作得到了锦屏地下实验室的大力协助。PandaX实验得到教育部、上海交通大学、以及合作组单位的长期支持，自然科学基金委、科技部、上海市、四川省、香港鸿文基金会、腾讯基金会和阳阳发展基金都对本项目有重要资助。
1.电子吸收实验文章：Dan Zhang et al, Search for Light Fermionic Dark Matter Absorption on Electrons in PandaX-4T, PRL 129, 161804 (2022) [arXiv:2206.02339 [hep-ex]]
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.161804
2. 原子核吸收实验文章：Linhui Gu et al. First search for the absorption of fermionic dark matter with the PandaX-4T experiment, PRL 129, 161803 (2022) [arXiv:2205.15771 [hep-ex]]
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.161803
3. 理论文章：Shao-Feng Ge, Xiao-Gang He, Xiao-Dong Ma, Jie Sheng, Revisiting the fermionic dark matter absorption on electron target, JHEP 05 (2022) 191 [arXiv: 2201.11497 [hep-ph]]
https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP05(2022)191
来源：PandaX合作组
https://mp.weixin.qq.com/s/bW-gbrZpHu2Azg2ITlSrPg
