清华工物系牵头的中国暗物质实验合作组刷新国际暗物质年度调制效应研究灵敏度

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清华新闻网11月26日电 11月25日，清华大学工程物理系牵头的中国暗物质实验（China Dark matter EXperiment, CDEX）合作组在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上在线发表题为《基于点电极高纯锗探测器年度调制效应分析的轻暗物质搜索》（Search for Light Weakly-Interacting-Massive-Particle Dark Matter by Annual Modulation Analysis with a Point-Contact Germanium Detector at the China Jinping Underground Laboratory）的研究论文。论文分析了CDEX-1B实验系统四年多的运行数据，没有测量到暗物质年度调制效应，并对质量小于6千兆电子伏特（GeV）的轻暗物质给出了暗物质年度调制效应分析的国际最灵敏限制。
众多的天文观测证据显示宇宙中存在大量的暗物质，并且在物质起源和宇宙演化过程中具有十分重要的地位。弱相互作用重粒子（WIMP）是目前最流行的暗物质候选者。近年来，欧洲的DAMA实验组（使用碘化钠探测器）和美国的CoGeNT实验组（使用高纯锗探测器）先后声称在10 GeV附近发现暗物质年度调制信号，与其它实验给出的结果相矛盾，使得轻质量暗物质探测成为当前暗物质研究的热点。
暗物质调制效应是由于地球周期性的公转或自转使得地球在银河系中的速度存在周期性调制效应，从而导致暗物质与探测器相互作用的事例率产生周期性变化，根据调制周期可分为年调制效应（如图1所示）和日调制效应。其中，由于地球自转导致的日调制幅度太小，现阶段的实验精度还无法进行探测。年度调制效应分析则要求探测器阈值低、曝光量大，且实验环境特别是本底水平具有足够好的长时间稳定性。


图1 暗物质年度调制效应示意图。左：由于地球公转，暗物质与探测器的相对速度（相互作用事例率）会产生周期性变化，相对速度（相互作用事例率）在6月达到最大，12月达到最小，调制周期为1年。右上：本次分析中的CDEX点电极高纯锗探测器及暗物质直接探测示意图。右下：红（蓝）线表示6月2日（12月1日）质量为8 GeV的WIMP与探测器靶核发生弹性散射后的核反冲能谱，两者之差（黄线）为理论上的年度调制幅度谱。
CDEX合作组基于CDEX-1B四年多的实验数据，对其长期稳定性进行研究，并针对两个时间段、不同数据组提出了新的联合分析方法，检验暗物质年度调制效应是否存在以及是否符合理论预期。实验结果没有表现出明显的年度调制效应，进一步排除了DAMA与CoGeNT合作组声称发现的暗物质质量区域，如图2所示。这项工作对质量小于6 GeV的WIMP粒子的年度调制灵敏度限制达到国际最好水平。


图2 上图：CDEX实验数据给出的年度调制幅度（天文学模型无关），没有表现出明显的年度调制效应；下图：基于年度调制效应分析的自旋无关暗物质排除曲线，排除了DAMA实验组（模型相关）和CoGeNT实验组（模型无关）声称的暗物质区域，并在6 GeV以下给出了国际暗物质年度调制效应研究最灵敏的限制结果。
工程物理系博士后杨丽桃为论文第一作者，工程物理系岳骞研究员和马豪副教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项、国家****科学基金等项目经费资助，以及清华大学暗物质实验平台和自主科研计划经费支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.221301

供稿：工物系
编辑：李华山
审核：周襄楠
2019年11月26日 14:08:21　　清华新闻网