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清华主导的CDEX暗物质实验合作组取得世界领先成果
发布时间:2019-10-18

10月15日,清华大学主导的中国暗物质实验(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CDEX-1B实验的亚-千兆电子伏特质量区域轻暗物质截面限制》(Constraints on Spin-Independent Nucleus Scattering with sub-GeV Weakly Interacting Massive Particle Dark Matter from the CDEX-1B Experiment at the China JinPing Laboratory)的研究论文。论文基于暗物质粒子(弱相互作用重粒子,WIMPs)与靶核反应时的Migdal效应,利用CDEX-1B实验系统运行四年获得的实验数据,对百兆电子伏特质量区域的轻暗物质给出了国际上暗物质直接探测的最好结果。

在以往的分析中,通常认为WIMPs粒子与靶核发生的反应是弹性散射,核外电子与靶核同步运动,反应过程中动量、动能守恒,在物理分析时仅考虑靶核的反冲能量。但实际上由于靶核与核外电子靠电磁力耦合,当靶核与WIMPs粒子发生碰撞获得速度时,核外电子有一定概率无法跟上靶原子核的运动,从而发生电离或者激发。这种情况下,WIMPs粒子与靶核发生的反应属于非弹性散射,暗物质粒子将会损失更大的动能。特别的,对于小于千兆电子伏特的轻暗物质来说,被电离出来的电子的能量将会远大于靶核的动能。因此,通过Migdal效应考虑反冲电子与靶核的总能量,可以在相同的探测器阈值下针对更轻质量的暗物质给出更加灵敏的参数限制。

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基于Migdal效应的自旋无关暗物质排除曲线,左图是暗物质能谱分析的结果,右图是年度调制效应的分析结果

合作组基于Migdal效应,利用CDEX-1B曝光量为737.1公斤天的实验数据,给出了暗物质能谱分析的结果,在50-180兆电子伏特质量区间内达到国际最好;同时,利用CDEX-1B曝光量为1107.5公斤天、时间跨度4.2年的实验数据,给出了暗物质年度调制效应的分析结果,在75兆电子伏特至3.0千兆电子伏特质量区间达到国际最好水平。相比CDEX合作组之前的实验结果,暗物质直接探测的质量下限从3千兆电子伏特降低到了50兆电子伏特,大大扩展了实验所能约束的暗物质参数空间。

工程物理系博士生刘仲智为本论文第一作者,工程物理系岳骞研究员、马豪副教授和博士后杨丽桃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、国家杰出青年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.123.161301


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