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            理論物理所在暗物質研究中取得進展
            2020-10-13  【 】【打印】【關閉

              暗物質直接探測實驗XENON1T位于意大利格蘭薩索國家實驗室地下,利用2噸重的液氙作為探測器,試圖捕捉穿行其中,和原子核或者電子反應的暗物質蹤跡。擁有極低的本底噪聲以及噸級的靶,使得XENON1T給出過世界領先的暗物質限制。在剛發表不久的實驗結果顯示,對于電子反沖信號的搜索超過本底的預期。在反沖能量低于7千電子伏特的區域,有大約53個事例超出了本底的232個。這些信號是否來源于背景的低估,還是暗物質等新物理,成為了最近高能物理研究的熱點話題。實驗組嘗試用太陽中跑出的軸子、暗光子或是攜帶反常電偶極矩的中微子來解釋,然而來自天體物理比如紅巨星或是白矮星冷卻帶來的限制卻和這兩種解釋不兼容。 

              最近,理論物理所舒菁研究員和美國猶他大學趙悅助理教授研究團隊的一項研究表明,這個溢出可以自然地被一種加速的暗物質解釋。這些加速后的暗物質從某個特點方向穿過探測器,將液氙的核外電子電離產生超出的事例數。同時,研究預言,暗物質在穿行地球過程中會和地球內物質發生同樣的相互作用而損失能量,且穿行距離隨著地球自轉而呈現以天為單位的周期性。這樣一來,加速暗物質來源的方向就可以蘊含在這些以天為周期震蕩的事例數中。    

              對于傳統暗物質,其在太陽系附近的運動速度由維里定理通過星系引力勢能決定,大約是光速的一千分之一。這個速度的暗物質和氙原子外電子散射時,其反沖能量較難達到XENON1T實驗的閾值即1千電子伏特。要想產生超過閾值的信號,需要給暗物質加速,讓其動能提高一千倍左右。暗物質加速機制在粒子物理模型中較為普遍。比如,在銀河系中心,暗物質擁有著較高的能量密度,可以相互之間湮滅產生較輕的粒子。如果湮滅之后的產物仍舊有部分是標準模型外的粒子,湮滅前粒子的較大質量,會貢獻到其動能上,而使之比其他的暗粒子跑得更快。此外,通過高能宇宙線碰撞、和太陽中高溫的電子反應都可以提高暗物質粒子的動能,使其速度就遠大于維里速度,可以完美地解釋XENON1T實驗發現的反常溢出信號(圖一)。 

              圖一: 加速暗物質解釋XENON1T事例的例子能譜。其中,黑色格點為事例數,灰色線為預計的背景,橙色為擁有0.06倍光速暗物質電離核外電子產生的反常能譜,紅色為預言的總事例數。   

              

              對于這些加速了的暗物質,和傳統維里化暗物質不同的是,它們會從某一固定方向而來。銀河系中心是較為自然的加速暗物質起源,但是我們也不能忽略從太陽而來的可能。甚至星系中一些不發光的成團物質也可以成為其真正的來源。一個獨特的預言是可以通過信號在每天不同時刻的堆積情況來判定其的來源方向。由于用來解釋反常的加速暗物質模型擁有著和電子較大的相互作用截面,其在地球內部的穿行會經歷多次類似的散射。為了屏蔽背景噪聲,XENON1T探測器位于意大利Gran Sasso國家實驗室地下1.4千米。因此,加速暗物質和地球內部物質總會有一定程度的碰撞。由于地球的自傳,從某一固定方向傳來的加速暗物質在地球內部的穿行距離也會隨時間而變(圖二)。從探測器背后穿行過來的暗物質流必然小于正面對著時候的。如果能觀察到這條以天為周期的曲線,那就可以從一定程度上重建出暗物質的來源。一般來說,能譜峰值的恒星時時刻對應于暗物質方向在赤道坐標系上的經度,而譜型的形狀可以反映其緯度。這些信息可以一定程度上彌補了現有觀測無法判斷信號方向的限制,用以區分其是否是加速暗物質亦或只是錯誤的背景估算。 

              物質從銀河中心傳播到達格蘭薩索國家實驗室時穿越地球的距離在一個恒星日內的變化。下方為從太陽方向過來的加速暗物質穿行地球距離在一個太陽日的變化,同時隨著季節不同而變。    

              這一研究發表在最新的Phys.Rev.Lett. 125 (2020) 16, 161804, 并得到了編輯推薦(Editors Suggestion). 美國物理學會(APS)為上述研究成果在雜志《Physics》上專題報道撰文對公眾加以解讀。該項研究得到了國家自然科學基金重大項目、面上項目、中國以色列國際合作項目、理論物理??睢芭砘肝淅碚撐锢韯撔卵芯恐行摹焙椭锌圃簯鹇韵葘Э萍紝m?span>(B)的支持。     

              https://physics.aps.org/articles/v13/s132     

              原文鏈接: 

              https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.161804 

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