近日，我院王為教授團(tuán)隊(duì)PandaX實(shí)驗(yàn)合作組開(kāi)展了MeV/c2尺度下的類軸子和暗光子吸收信號(hào)搜尋，研究取得了突破性進(jìn)展。合作組利用PandaX-4T探測(cè)器共計(jì)440公斤·年曝光量的數(shù)據(jù)，在大部分質(zhì)量區(qū)間內(nèi)對(duì)類軸子/暗光子與電子的耦合常數(shù)設(shè)定了迄今最嚴(yán)格的排除限制。這也是世界上首次利用大質(zhì)量液氙探測(cè)器對(duì)MeV/c2尺度下的類軸子/暗光子信號(hào)搜尋。該工作發(fā)表在了國(guó)際權(quán)威期刊《Physical Review Letters》上。

　　天文與宇宙學(xué)觀測(cè)為暗物質(zhì)的存在提供了堅(jiān)實(shí)證據(jù)，類軸子與暗光子作為輕質(zhì)量暗物質(zhì)候選者，可緩解星系核心密度過(guò)高等小尺度結(jié)構(gòu)問(wèn)題而備受關(guān)注。與主流暗物質(zhì)候選粒子WIMP通過(guò)核或電子的散射信號(hào)不同，類軸子/暗光子可通過(guò)獨(dú)特的吸收信號(hào)進(jìn)行直接探測(cè)。例如，類似于光電效應(yīng)的軸電效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致ALPs被探測(cè)器靶物質(zhì)吸收，產(chǎn)生與ALPs靜止質(zhì)量對(duì)應(yīng)的單能信號(hào)。

　　針對(duì)30 keV/c2至1MeV/c2的暗物質(zhì)質(zhì)量區(qū)間，本研究開(kāi)展了類軸子/暗光子在液氙探測(cè)器內(nèi)的吸收信號(hào)搜尋。研究通過(guò)對(duì)較長(zhǎng)壽命的氙同位素本底的時(shí)間演化分析優(yōu)化了本底模型，并構(gòu)造似然函數(shù)對(duì)能譜進(jìn)行擬合分析，同時(shí)引入探測(cè)器能量響應(yīng)模型的卷積處理，優(yōu)化了系統(tǒng)不確定性的評(píng)估。實(shí)驗(yàn)未觀測(cè)到顯著超出本底預(yù)期的信號(hào)，由此推導(dǎo)出類軸子/暗光子與電子耦合常數(shù)在90%置信水平的上限如圖2所示。特別是在150–400 keV/c2質(zhì)量區(qū)間內(nèi)，排除限制可比已有國(guó)際最好結(jié)果平均提升約4倍。

圖1. PandaX實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行數(shù)據(jù)（左）和第一批物理運(yùn)行數(shù)據(jù)（右）的能譜擬合結(jié)果。

圖2. 類軸子（上）和暗光子（下）與電子耦合常數(shù)的排除曲線。紅色線為PandaX-4T實(shí)驗(yàn)的最新研究結(jié)果。

　　研究結(jié)果以“Search for MeV-Scale Axionlike Particles and Dark Photons with PandaX-4T”為題近期發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Physical Review Letters》上。我院王為教授團(tuán)隊(duì)李濤博士后為論文第一作者，我校物理學(xué)院肖翔副教授、上海交通大學(xué)韓柯教授、王少博副教授為共同通訊作者。本研究工作得到了中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的大力協(xié)助，以及國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)、上海市科技廳、香港鴻文基金會(huì)、新基石科學(xué)基金會(huì)和陽(yáng)陽(yáng)發(fā)展基金等的資助。

附論文原文鏈接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.071004

圖文：李濤

初審：周越

審核：劉李云

審核發(fā)布：王為、徐瑤