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暗物质:我被宇宙线加速了!

2022.06.24 北京

在过去的几十年里,大量的天文观测都指向了一个惊人的事实:在可观测宇宙中,我们所熟悉的、遍布在宇宙中的恒星、行星、气体、尘埃等所有的普通物质,仅仅只占宇宙总质量和能量密度的5%,还有95%是完全未知的!这片未知的领地是由69%神秘的暗能量和26%的暗物质构成,它们的本质是当今宇宙学最大的未解之谜。我们今天所要探寻的,正是其中的这26%。

  星系守卫者  

如果星系完全由恒星和气体组成的话,根据我们对引力的理解,恒星距离星系中心越远,它们的运动速度也会越慢。这是因为星系的大部分质量都集中在中心,所以越靠近中心感受到的引力也越强。

然而,上个世纪70年代,天文学家鲁宾(Vera Rubin)福特(Kent Ford)在对我们邻近的仙女座星系进行观测后,发现了一个惊人的现象——气体和恒星的运行速度在超过特定的距离后开始趋于平稳,而非像理论预期那样下降

这是非常令人惊奇的发现,如果在星系外侧的物体运行的速度如此之快,它们应该早就已经飞离星系的掌控,使星系分崩离析。但这样的事情并没有发生,为什么?究竟是谁在默默地守卫着星系?

有一种可能是,在星系尺度上,现有的引力理论需要被修正,这个可能性不能够自洽地解释宇宙学的观测而被基本放弃。另一个可能是,星系中包含了大量看不见的物质,从而提供了额外的引力。这些看不见的物质也被称为暗物质

那么,暗物质究竟是什么?

  候选粒子  

理论学家认为,暗物质极有可能是一种或多种从未被发现的新粒子。为此,他们提出了许多假想的候选粒子,但这些粒子的质量和性质有着很大的不确定性。有一类理论预言暗物质由一种“弱相互作用重粒子”WIMP组成,由于能够自然的解释今天宇宙中观测到的暗物质密度而备受青睐。

目前,寻找WIMP暗物质的方法共有三种:直接探测、间接探测和对撞机探测在过去几十年中,全球各地有许多实验室都在通过这三种途径来全方位寻找暗物质的踪迹。不同的实验所能搜索的暗物质粒子的质量范围也是有限的,这是因为探测器都有其探测阈值,如果暗物质粒子产生的信号低于阈值,就无法被观测到。

目前,中国不仅有“悟空”号卫星通过间接手段寻找暗物质,也有锦屏地下实验室直接寻找暗物质粒子与原子核的碰撞。 

锦屏地下实验室建于2009年,这是我国第一个深地实验室。之所以建于地底深处,是因为实验室上方的岩石能够有效地挡住宇宙线,使宇宙线背景信号降低到极低的水平。但厚重的岩石层却无法阻挡暗物质的脚步,因此,正如上海交通大学教授、科学探索奖获奖人刘江来所说:“我们有了机会能够在2400米的山下仰望充满暗物质的星空。”

《从地下2400米看宇宙》——刘江来在2021年“青年科学家50²论坛”的报告。

同样是在2009年,在锦屏地下实验室内的PandaX实验启动。在PandaX实验中,为了更好地屏蔽来自探测器外围的放射性物质的干扰,研究人员在外围搭建了铅、铜和聚乙烯组成的被动屏蔽体。这些材料能够很好地阻挡伽马射线和中子。

PandaX实验主要寻找WIMP的质量区间大约在1GeV至~10TeV (eV表示电子伏特),也已经取得了丰硕的成果,对WIMPs可能出现的范围做出了非常强的限制。但如何进一步扩大PandaX实验的搜索区间呢?比如去探测那些质量小于1GeV的轻暗物质(即sub-GeV暗物质

  让宇宙线来加速  

当暗物质恰好撞上探测器中的原子核时,会将能量传递给原子核,使其产生一个反冲信号(如下图所示)。由于轻暗物质的质量过轻,由此产生的核反冲信号的能量也过低,很难达到探测器的测量阈值,从而无法被探测到。

如果轻暗物质粒子想要在PandaX探测器中留下可观测的信号,那么它们就需要通过某种方式获得足够高的动能。

2019年,物理学家Torsten BringmannMaxim Pospelov提出一种新奇的可能性。他们认为,既然暗物质能够与原子核相互作用,那么它们应该也可以与高能宇宙线(主要由质子和氦组成)作用。在这个情况下,不是暗物质将能量传递给宇宙线,而是宇宙线加速了暗物质,使其具有更高的能量。如此一来,获得宇宙线加速的轻暗物质(以下简称CRDM就能够在探测器中留下超过探测阈值的信号。

现在,我们已经有了用PandaX探测过去不可能探测到的轻暗物质的途径,那么接下来我们需要找到CRDM产生的信号的特别之处,以将它们与背景事例或传统暗物质产生的信号进行区分。

  一个有趣的效应  

2021年,葛韶锋袁强周宁和刘江来在《物理评论快报》的一篇论文中提出了CRDM的一个独特特征周日调制效应

在银河系中,宇宙线和暗物质是广泛存在的,但它们的分布是不均匀的。暗物质和宇宙线的密度会随着其在星系中的位置而变化,越往星系中心密度越高。这将导致大量的CRDM是来自银河系中心方向的,从而呈现出各向异性的分布。然而,CRDM的各向异性分布是无法被直接绘制的,这是因为直接探测实验无法得知入射暗物质粒子具体来自哪个方向。

进一步的研究,使研究人员发现了一个有趣的效应。在CRDM抵达探测器时,暗物质实际上已经在地球内部穿行了一定的距离,由于地球不停地自转,穿行的距离从2.4千米到13000千米不等。如果暗物质和原子核的散射截面(用字母σ表示,描述了两个粒子在特定条件下的相互作用的概率)足够大,那么暗物质将频繁地与物质发生散射,地球也将成为暗物质粒子的屏蔽体。这就意味着,当银河系中心和探测器在地球的两侧时,会因为CRDM穿行的距离越大而导致其抵达探测器的流量显著下降;但如果它们在同一侧时,则暗物质导致的信号强度将达到最高

之后,研究人员定义了一个CRDM的存活概率,即抵达PandaX实验探测器的CRDM流量和抵达地球的CRDM流量之比。所以,当绘制CRDM的存活概率随恒星时改变时,就会看到由于地球的自转,存活概率也会发生周期变化。这就是所谓的周日调制效应。

下图所描绘的正是一个恒星日(0-24小时范围内)的周日调制效应。可以看到,当散射截面为10⁻³²cm²时,CRDM的存活概率在64%-95%范围内变化。借助周日调制效应,就可以有效地区分暗物质信号和背景示例。

  搜寻CRDM  

今年四月,崔祥仪、葛韶锋、袁强、周宁和刘江来等人在《物理评论快报》发表了PandaX二期实验寻找CRDM的最新结果。

在PandaX二期实验中,探测器的核心容器(如下图所示)包含了580公斤的液氙。当外部的粒子(比如WIMP)穿过岩石抵达探测器时,它可以与液氙相互作用,产生第一次闪光(S1)和自由电子(e⁻)。自由电子会在电场的作用下,向探测器的上方漂浮,并在气氙里产生第二次闪光(S2)。这两次闪光都会被探测器顶部和底部的光电倍增管阵列记录,它们的相对亮度会揭示信号是由什么粒子产生的。


在新的研究中,研究人员提取了PandaX二期实验完整的数据集。除了独特的恒星时,研究人员还考虑了事件的高反冲能量分布特征。这两个明显的特征被用来抑制背景,从而显著提高信号的灵敏度。

尽管实验没有在预期的背景之上发现明显的暗物质信号,但也对CRDM和核子之间的相互作用设定了新的排除极限。在下图中,纵轴显示的是暗物质与核子的散射截面,横轴是暗物质的质量。图中红色区域表示的便是PandaX二期实验排除的暗物质可能出现的范围,即暗物质-核子在10⁻³¹cm²至10⁻²⁸cm²之间的散射截面。这一方法对轻暗物质给出的限制超过了天体物理学和宇宙学探测器所能达到的。未来,利用新一代的PandaX四吨级的数据,将可以对CRDM进行更灵敏的搜索。

  未来可期  

十年前,物理学家在大型强子对撞机中首次发现了粒子物理学标准模型的最后一块拼图——希格斯玻色子,这是粒子物理学家经历了数十年努力的结果。而我们现在所面对的是寻找超越标准模型的全新的、未知的粒子,我们自然需要有更多的耐心。

每一次的新实验结果,都是朝终极目标所迈出的一小步。而在寻找sub-GeV的轻暗物质粒子,以及拓展暗物质探测器的探索到所能探索的质量区间,PandaX二期实验已经迈出了坚实的一步

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