近日，我院王為教授團隊PandaX實驗合作組開展了MeV/c2尺度下的類軸子和暗光子吸收信號搜尋，研究取得了突破性進展。合作組利用PandaX-4T探測器共計440公斤·年曝光量的數據，在大部分質量區間內對類軸子/暗光子與電子的耦合常數設定了迄今最嚴格的排除限制。這也是世界上首次利用大質量液氙探測器對MeV/c2尺度下的類軸子/暗光子信號搜尋。該工作發表在了國際權威期刊《Physical Review Letters》上。

　　天文與宇宙學觀測為暗物質的存在提供了堅實證據，類軸子與暗光子作為輕質量暗物質候選者，可緩解星系核心密度過高等小尺度結構問題而備受關注。與主流暗物質候選粒子WIMP通過核或電子的散射信號不同，類軸子/暗光子可通過獨特的吸收信號進行直接探測。例如，類似于光電效應的軸電效應會導致ALPs被探測器靶物質吸收，產生與ALPs靜止質量對應的單能信號。

　　針對30 keV/c2至1MeV/c2的暗物質質量區間，本研究開展了類軸子/暗光子在液氙探測器內的吸收信號搜尋。研究通過對較長壽命的氙同位素本底的時間演化分析優化了本底模型，并構造似然函數對能譜進行擬合分析，同時引入探測器能量響應模型的卷積處理，優化了系統不確定性的評估。實驗未觀測到顯著超出本底預期的信號，由此推導出類軸子/暗光子與電子耦合常數在90%置信水平的上限如圖2所示。特別是在150–400 keV/c2質量區間內，排除限制可比已有國際最好結果平均提升約4倍。

圖1. PandaX實驗試運行數據（左）和第一批物理運行數據（右）的能譜擬合結果。

圖2. 類軸子（上）和暗光子（下）與電子耦合常數的排除曲線。紅色線為PandaX-4T實驗的最新研究結果。

　　研究結果以“Search for MeV-Scale Axionlike Particles and Dark Photons with PandaX-4T”為題近期發表在國際權威期刊《Physical Review Letters》上。我院王為教授團隊李濤博士后為論文第一作者，我校物理學院肖翔副教授、上海交通大學韓柯教授、王少博副教授為共同通訊作者。本研究工作得到了中國錦屏地下實驗室的大力協助，以及國家自然科學基金委、科技部、中國博士后科學基金會、上海市科技廳、香港鴻文基金會、新基石科學基金會和陽陽發展基金等的資助。

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

審核發布：王為、徐瑤