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“盘古”实验,于极深地下聆听来自太空的声音——暗物质性质的研究

Science China Press

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IMAGE: 暗物质与高纯锗探测器靶核散射示意图 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

大量的天文学观测表明,宇宙物质组成中的绝大部分为暗物质,占到了约85%,而我们所熟悉的普通物质只占约15%。但是人们对于暗物质到底是什么,暗物质粒子质量及其性质等,目前却知之甚少。通过对暗物质的各种候选粒子的研究,科学家有希望在暗物质直接探测实验中捕捉到与普通物质可能发生弱相互作用的暗物质粒子。中国暗物质实验(China Dark matter Experiment,CDEX,又称“盘古”实验)依托于世界上岩石覆盖最深的地下实验室——中国锦屏地下实验室(China Jinping Underground Laboratory, CJPL),使用点电极高纯锗探测器开展暗物质直接探测和锗-76同位素无中微子双贝塔衰变实验研究。

目前对于暗物质的分析通常是与物理模型相关的,很多超出标准模型的新物理中,都预言了暗物质的存在,例如超对称模型和额外维模型。由于物理模型的多样性,一组实验数据对某一个物理模型中相关参数的限制通常无法直接应用到其他物理模型中,因此为物理分析带来了一定的复杂性。根据目前的天文学观测的结果,暗物质主要由质量大、速度低的非相对论性的冷暗物质构成。因此在暗物质粒子与靶核弹性散射的过程中,转移的动量一般在几十至几百兆电子伏特水平,远低于电弱统一能标(~250 GeV),可以利用有效场理论来进行分析。近年来,利用有效场理论,理论学家们发展了暗物质分析的新手段,例如非相对论有效场理论和手征有效场理论。有效场理论中包含了所有满足基本物理对称性的相互作用算符,是一种不依赖于具体物理模型的分析方式,极大地降低了暗物质分析的复杂性。

在暗物质直接探测实验中,通常只分析自旋无关(SI)和自旋相关(SD)两种普通的弹性散射过程,而有效场理论可以给出更多与暗物质运动速度和动量转移相关的相互作用类型。CDEX-1B和CDEX-10探测器采用了点电极高纯锗探测器技术,均达到了160 eV的极低能量分析阈值,大大地提高了轻质量暗物质的探测灵敏度。利用两个探测器的数据,对非相对论有效场理论和手征有效场理论中给出的不同有效算符对应的耦合参数进行研究,CDEX实验给出了暗物质轻质量区域相关耦合参数的最灵敏限制。相关文章发表在《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版2021年第8期上[1],中国科学院理论物理研究所周宇峰研究员撰写了点评文章[2]。

目前CDEX-1和CDEX-10的相关实验工作已经基本完成。面向未来,CDEX合作组正在向百公斤和吨量级的阵列高纯锗实验迈进,随着探测器本底的降低和性能的优化,下一代CDEX实验将获得更好的实验灵敏度。暗物质的魅影至今尚未被人类发现,而CDEX未来的实验能否发现暗物质也尚未可知,然而正是它的神秘性驱使着人们永不停歇地追寻着,直至完全揭开宇宙中这一最重要组成部分的面纱。

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[1] Y. Wang et al. (CDEX Collaboration), First experimental constraints on WIMP couplings in the effective field theory framework from CDEX, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 64, 281011 (2021), https://doi.org/10.1007/s11433-020-1666-8

[2] Y.-F. Zhou, Improved constraints on dark matter effective interactions from CDEX, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 64, 2841031 (2021), https://doi.org/10.1007/s11433-021-1679-4

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