11月23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）上发表了对MeV/c2量级奇异暗物质的搜寻结果（Exotic Dark Matter Search with CDEX-10 Experiment at China’s Jinping Underground Laboratory）。论文利用CDEX-10实验系统205 kg·day曝光量数据，研究费米子暗物质中性流吸收以及暗物质-核子3→2非弹性散射等两种暗物质-核子反应过程，将反应截面的限制下推到了~10 MeV/c2质量区间，刷新了目前暗物质直接探测实验对这两种反应截面限制的质量下限。
图1.中国锦屏地下实验室（左）与CDEX-10实验探测器系统示意图（右）
大量的天文学观测支持暗物质的存在，在深地实验室中对暗物质进行直接探测是证明暗物质存在、了解暗物质性质的重要手段。对暗物质与核子弹性散射信号的探测受限于探测器的阈值而难以对轻质量（MeV/c2量级）的暗物质进行搜寻。轻质量暗物质与核子的吸收或非弹性散射反应可以产生足够明显的信号而被直接探测实验观测，其中费米子暗物质与核子的中性流吸收反应以及暗物质与核子的3→2非弹性散射反应是理论上新提出的两种吸收和非弹性散射反应。
在费米子暗物质中性流吸收反应中，费米子暗物质（χ）通过玻色子媒介子在汤川相互作用机制下与核子（A）发生中性流吸收反应（χ+A→ν+A），暗物质被核子吸收并放出一个中微子，该反应在探测器中会产生一个准单能的信号。在暗物质与核子3→2非弹性散射反应中，两个暗物质粒子（χ）同时与核子（A）发生相互作用（χ+χ+A→ϕ+A），其中两个暗物质粒子反应后合并为一个粒子（ϕ），ϕ可能是束缚态的暗物质粒子，也可能是暗光子等暗辐射。该反应在探测器中同样会产生准单能信号，信号的能量与暗物质的质量、发生作用的核子以及暗物质初态（χ）与末态（ϕ）的质量比（ξ）有关。
本项工作使用CDEX-10实验系统中C10-B1探测器205 kg·day的数据对费米子暗物质-核子中性流吸收反应和暗物质-核子3→2非弹性散射反应进行搜寻。CDEX-10实验在中国锦屏地下实验室一期聚乙烯屏蔽室中通过液氮直冷方式运行10 公斤P型点电极高纯锗探测器阵列，其中C10-B1探测器达到了最低的分析阈值（160 eVee）被用于轻质量暗物质的分析。
本项工作首先分析了两种反应机制下暗物质与高纯锗探测器的相互作用，给出了两种暗物质反应机制对应的预期能谱（图2）。然后，利用C10-B1探测器低阈值的测量数据对两种暗物质反应的截面进行限制，通过卡方分析方法对探测器能谱与暗物质信号进行分析，由Feldman-Cousins方法给出90%置信度的截面上限。得益于C10-B1探测器低阈值的特点，本项研究将对费米子暗物质中性流吸收反应的截面限制下推到了~10 MeV/c2暗物质质量区间，将暗物质-核子3→2非弹性散射反应截面的限制下推到了~5 MeV/c2（暗光子暗物质末态）和~14 MeV/c2（束缚态暗物质末态），如图3所示。
图2. 不同质量费米子暗物质中性流吸收反应在高纯锗探测器中的预期能谱（左）。暗物质核子3→2非弹性散射反应在高纯锗探测器中的预期能谱（右），其中初末态质量比ξ=0对应末态为暗光子，ξ=1.87对应末态为束缚态暗物质。两幅图中暗物质与核子的耦合截面均设置为10-45 cm2
图3. （左）费米子暗物质中性流吸收反应截面的排除线；（右）暗物质核子3→2非弹性散射反应截面的排除
工程物理系博士生代文翰为本文第一作者，工程物理系岳骞首席研究员、马豪副教授为本文通讯作者。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、清华大学暗物质实验平台等项目经费资助和中国锦屏地下实验室的大力支持。
CDEX合作组正式成立于2009年，由清华大学（工程物理系）牵头，联合四川大学、南开大学、中国原子能科学研究院、北京师范大学、北京大学、中山大学、雅砻江流域水电开发有限公司等多家单位组成，使用高纯锗探测器进行暗物质直接探测研究，未来计划使用吨量级高纯锗探测器阵列开展暗物质直接探测和无中微子双贝塔衰变等多物理目标的实验研究。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.221802
