4月22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《半导体探测器加速暗物质-电子相互作用分析的新方法给出太阳加速暗物质的实验限制》（Experimental Limits on Solar Reflected Dark Matter with a New Approach on Accelerated Dark Matter-Electron Analysis in Semiconductors, Phys. Rev. Lett. 132, 171001, 2024）的研究论文。论文针对半导体探测器对加速暗物质开展分析时所面临的困难，提出了一套速度成分分析方法，能够实现在半导体探测器上对任意速度分布的加速暗物质与电子相互作用的快速分析。基于速度成分分析方法，合作组利用来自CDEX-10实验总曝光量为205.4公斤•天的实验数据开展了太阳加速暗物质-电子相互作用的分析。分析中未观测到暗物质与电子的相互作用，并在重媒介子和轻媒介子情况下，质量小于0.01兆电子伏特（MeV）与质量小于0.1 MeV的暗物质质量区间内，给出了国际上对太阳加速暗物质-电子相互作用截面最灵敏的限制。
暗物质模型能够很好地对天文学和宇宙学的观测结果进行解释，暗物质的存在已经得到了现代物理学界的普遍认可，对暗物质进行直接探测，进一步揭示暗物质的性质，对我们理解物质的起源及宇宙的演化具有重要意义。近几十年来，基于不同探测器技术的暗物质直接探测实验正在广泛开展。
对轻质量暗物质进行探测的一个重要手段是开展暗物质-电子相互作用分析，电子由于质量更低，能够更高效地从轻质量暗物质粒子中获得能量，因此研究探测器内暗物质与电子的相互作用，能够显著提高探测器对轻质量暗物质的灵敏度。CDEX合作组在在2022年使用一种结合了密度泛函理论（DFT）计算与半解析方法的暗物质-电子相互作用计算方法，基于高纯锗探测器对暗物质-电子相互作用进行了分析，并取得了国际领先结果，相关成果发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 129, 221301, 2022）。
探索低质量暗物质的另外一个重要手段是对加速暗物质进行研究。暗物质被宇宙中高能天体加速进而获得能量，如果这些暗物质能够到达探测器，那么对这些具有更高能量的暗物质进行探测，就能够进一步提升轻质量区域的实验灵敏度。典型的加速暗物质模型包括宇宙线加速暗物质、太阳加速暗物质、耀变体加速暗物质等。太阳加速暗物质本质上是暗物质晕模型内暗物质被太阳内高能等离子体加速后的暗物质，其优点在于相对于传统的暗物质晕模型来说不需要额外假设。
图1 太阳加速暗物质示意图。暗物质进入太阳被高能电子加速反射至地球，最终被高纯锗探测器探测到
在利用暗物质-电子相互作用对加速暗物质进行分析时面临着一些问题：由于加速暗物质的速度分布多种多样，甚至是非解析的，在计算加速暗物质-电子相互作用事例率时就不能够再使用常规的解析计算方法，这意味着我们必须要进行非常复杂的数值计算，而巨大的计算量导致加速暗物质分析难以进行。为了解决这一问题，CDEX合作组提出了速度成分分析方法，对不同速度区间的贡献分别进行近似计算，实现了对加速暗物质-电子相互作用在半导体探测器上的快速分析。
图2 左图：速度成分分析方法示意。右图：利用速度成分分析方法对标准暗物质晕模型在探测器内的能谱进行重建的结果，重建结果显示速度成分分析方法具有很好的重建效果
利用速度成分分析方法，CDEX合作组对太阳加速暗物质-电子相互作用进行了分析。基于CDEX-10的205.4公斤天的数据，CDEX合作组给出了国际首个基于高纯锗探测器的太阳加速暗物质-电子相互作用直接探测结果。在重媒介子和轻媒介子情况下，分别在质量小于0.01 MeV和质量小于0.1 MeV的暗物质质量区间内，给出了国际上对太阳加速暗物质-电子相互作用截面最灵敏的限制。
这一工作具有重要意义：首先，本工作创新地发展了速度成分分析方法，解决了半导体探测器在开展加速暗物质分析时计算量巨大的问题；其次，利用CDEX实验数据，给出了国际领先的物理结果，展示了利用高纯锗探测器开展加速暗物质-电子相互作用研究的巨大潜力；最后，速度成分分析方法有很好的普适性，可用于其他加速暗物质分析，同时也能够应用于其他基于半导体探测器的暗物质直接探测实验。
图3 CDEX-10给出的太阳加速暗物质-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。右图：轻媒介子情况下CDEX-10给出的排除线。
工程物理系2019级博士生张震宇为论文第一作者，工程物理系杨丽桃助理研究员、岳骞首席研究员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、国家自然科学基金委等项目资助，以及清华大学暗物质实验平台经费支持。
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.171001
