暗物质质量依据不同的理论分布在一个十分宽广的范围内，从极重的原初黑洞到极轻的中微子都是暗物质可能的候选者。此前，暗物质直接探测实验所针对的质量范围多集中在GeV到TeV量级，也就是弱相互作用重粒子（WIMP）所在的质量范围。近年来，为了扩宽实验的灵敏区域，对更轻质量的暗物质进行探测，暗物质-电子相互作用这一物理通道也被重视起来，并被应用在各大实验中。
图1. 暗物质-电子相互作用示意图
对于固体探测器中暗物质-电子相互作用事例率的计算，最棘手的是晶体形状因子的计算。传统的计算手段，主要包括半解析的近似方法，以及基于第一性原理进行的密度泛函理论（DFT）计算。这些方法只能计算极低能区的预期能谱，其能量范围被限制在~50eV的水平，低于高纯锗探测器的典型阈值（几百个eV）。最近，坦纳·特里克（Tanner Trickle）等人发展了一套新的计算方法，在DFT计算的基础上，利用全电子重建的方法恢复DFT计算波函数内的高动量成分，并结合半解析方法对远离禁带的电子能态进行分析，使得暗物质-电子相互作用能谱的计算范围延伸到了~keV的水平。基于实验的高曝光量及低本底的优势，清华大学工程物理系牵头的中国暗物质实验合作组（China Dark matterEXperiment，CDEX）成功地对暗物质-电子相互作用进行了分析，并给出了有竞争力的结果。
图2.暗物质-电子相互作用预期能谱。左图：锗探测器内部电子能态示意图，不同能态被分为核电子（“core, c”），价带（“valence, v”），导带（“conduction, cd”）与自由电子（“free, f”）。中图：不同跃迁过程贡献的预期能谱，能量范围扩展到高纯锗探测器能量阈值以上。右图：卷积能量分辨率后的预期能谱以及CDEX-10实验能谱
CDEX合作组基于CDEX-10的205.4公斤天的数据，建立了基于高纯锗探测器的暗物质-电子相互作用的分析方法，首次给出了基于高纯锗探测器的暗物质-电子相互作用直接探测结果。在世界主流的基于固体探测器的暗物质-电子相互作用直接探测实验中，本工作给出了在>100 MeV/c2的质量范围内国际领先的限制结果，证实了高纯锗探测器对暗物质-电子相互作用进行直接探测的可行性，也展示了高纯锗探测器这一技术路线在暗物质-电子的物理通道方面所具有的巨大潜力。
图3.CDEX-10给出的暗物质-电子相互作用灵敏度限制。左图：重媒介子情况下CDEX-10给出的排除线，在质量大于100MeV的暗物质质量区间内，给出了国际上主流的基于固体探测器的暗物质-电子相互作用直接探测实验中，对暗物质-电子相互作用截面最灵敏的限制；右图：轻媒介子情况下CDEX-10给出的排除线
11月21日，上述研究成果在国际物理学知名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上在线发表，题为“基于CDEX-10实验的对sub-GeV质量的暗物质与电子相互作用的限制”（Constraints on Sub-GeV Dark Matter–Electron Scattering from the CDEX-10Experiment）。
清华大学工程物理系2019级博士生张震宇为论文第一作者，工程物理系岳骞研究员和杨丽桃助理研究员为论文共同通讯作者。该研究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****科学基金等项目的经费资助，以及清华大学暗物质实验平台和自主科研计划的经费支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.221301
供稿：工物系
编辑：李华山
审核：郭玲
2022年11月23日 14:28:17
