紫金山天文台等提出暗物質直接探測實驗中的新周日調製效應


現代天文學觀測顯示宇宙由5%的普通物質,25%的暗物質和70%的暗能量構成。暗物質的本質是當前物理學面臨的重大問題,相關研究可望帶來物理學新的革命。暗物質極有可能是一種超出標準模型的新物理粒子,實驗上通常有三種辦法來探測暗物質粒子:通過地下實驗直接探測暗物質和普通物質的微弱碰撞、通過太空高能粒子和光子探測器間接探測暗物質粒子湮滅或衰變後的產物粒子以及通過高能粒子對撞產生暗物質粒子。中國錦屏山深地實驗室運行有粒子和天體物理氙探測器(Particle and Astrophysical Xenon Detector,簡稱 PandaX)和中國暗物質實驗兩個直接探測實驗,也發射了悟空號暗物質粒子探測衛星進行間接探測。中國科研人員也在歐洲大型強子對撞機上深入開展暗物質對撞探測。

國際上關於暗物質直接探測的相關實驗已開展了三十餘年,至今為止還沒有明確觀測到暗物質和普通物質相互作用的訊號,實驗結果對暗物質和普通物質的碰撞截面給出了很強的限制。然而由於探測器的閾值(Threshold)所限,通常直接探測實驗只能覆蓋有限的暗物質質量區間(一般大於質子質量),對於更低質量區間的暗物質現有直接探測實驗難以有效覆蓋。近年來有學者提出瀰漫於銀河系中的高能宇宙線將可以加速暗物質粒子,從而使得原本不足以在探測器中留下訊號的輕質量暗物質粒子因為變得更快而可以被探測到,顯著地拓寬了現有直接探測實驗可覆蓋的參數區間,成為近期的暗物質探測研究的熱點。

紫金山天文台袁強和上海交通大學葛韶鋒、劉江來、周寧等合作提出,由於銀河系中宇宙線分佈和暗物質分佈不均勻,宇宙線加速後的暗物質流呈現出方向上的各向異性,從銀河系中心方向來的高速暗物質將顯著多餘偏離銀心方向的高速暗物質。隨著地球的自轉,不同方向的暗物質粒子穿越地球的厚度也會呈現週日(恆星日)變化,導致暗物質粒子打到探測器上的概率產生週日變化,形成一個週日調製現象(Diurnal modulation phenomenon)。這個效應有助於提高直接探測實驗在低質量區間的靈敏度,並且可以提供獨特的暗物質碰撞訊號以區分背景。目前國際上正在開展的幾個數噸級的液氙直接探測實驗將顯著地提升暗物質探測靈敏度,我們提出的這項新的效應也將成為這些實驗在低質量區間的重要目標之一。

【圖、文:節錄自中國科學院紫金山天文台網頁】研究全文刊登在2021年3月5日出版的《物理學評論快報》

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