上海交通大学牵头的PandaX合作组利用中国锦屏地下实验室的PandaX-4T液氙探测器，对两类重要的新物理粒子--类轴子和暗光子开展搜寻，超越多个竞争暗物质与无中微子双贝塔衰变实验，取得了国际最灵敏结果，近期发表于《物理评论快报》。
天文与宇宙学观测为暗物质的存在提供了坚实证据，类轴子与暗光子作为轻质量暗物质候选者，可缓解星系核心密度过高等小尺度结构问题而备受关注。与主流暗物质候选粒子WIMP通过核或电子的散射信号不同，类轴子/暗光子可通过独特的吸收信号进行直接探测。
图1.短半衰期氙同位素本底的时间演化分析。
针对30 keV/c2至1MeV/c2的暗物质质量区间，研究团队通过分析440 kg·yr曝光量的实验数据，基于似然拟合方法对类轴子和暗光子与电子相互作用的吸收信号开展了系统搜寻。团队率先分析氙同位素本底随时间演化的特性，深化了对本底模型的理解，直接推动了实验灵敏度的提升。该研究未观测到显著的信号超出，给出了当前最灵敏的实验限制。相比较国际同类型液氙实验，这是世界范围内首次将该类型暗物质质量搜寻区间扩大至1 MeV/c2，并对大质量类轴子和暗光子给出了重要的实验约束，推动液氙探测器技术向更高精度、更低本底、更宽能区的方向发展。
图2. 类轴子（左）和暗光子（右）与电子耦合常数的排除曲线。红色线为PandaX-4T实验的最新研究结果。
研究结果以“Search for MeV-Scale Axionlike Particles and Dark Photons with PandaX-4T”为题发表在国际权威期刊《Physical Review Letters》上。上海交通大学中法学院助理研究员李涛为论文第一作者，上海交通大学物理与与天文学院韩柯教授、王少博副教授（中法学院双聘）和中山大学肖翔副教授为共同通讯作者。本研究工作得到了中国锦屏地下实验室的大力协助，以及国家自然科学基金委、科技部、新基石科学基金会、阳阳发展基金、上海市科技厅、中国博士后科学基金会、香港鸿文基金会等的资助。目前，PandaX-4T探测器正处于新一批次的物理取数阶段，同时积极推进下一代数十吨级液氙探测器的研发建设，持续保持我国大科学装置在暗物质领域中的国际领先地位。
论文DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.071004
图文编辑：叶丹
责任编辑：叶丹、朱敏
