过去的宇宙学和天体物理学观测表明,超过四分之一的宇宙能量密度是由一种被称为暗物质的非传统物质构成的。科学家们认为这种物质由不吸收、不发射或不反射光的粒子组成,因此暗物质并不能用传统的探测方法直接观测到。
世界各地的研究人员早已经开展了旨在探测宇宙暗物质的研究,但迄今为止没有一项研究取得成功。即使是暗物质的首选替代目标——弱相互作用大质量粒子(WIMPs),也没有被实验观测到过。
中国暗物质实验(CDEX)合作是一个由清华大学和中国其他大学的研究人员组成的大型团队,他们最近进行了一项研究,寻找另一种可能存在的暗物质候选目标,即暗光子(dark photon)。虽然他们没有找到这个暗光子,但他们发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的论文确定了一些对暗光子参数的新约束条件,这可能会为未来的研究提供帮助。
进行这项研究的其中一名研究人员Qian Yue表示:“暗光子是一种不可见的假设粒子,它是一种很吸引人的的暗物质候选目标,它也可能是暗物质和正常物质之间的一种新相互作用介质。对暗物质的研究和探测可能有助于扩展粒子物理学的标准模型(SM),并扩展我们对宇宙的认识。”
CDEX合作已经使用中国金平地下实验室(CJPL)的10公斤p型点接触锗探测器进行了一段时间的轻暗物质搜索。CJPL是世界上最深的地下研究设施,岩石覆盖深度达2400米。
研究人员使用的探测器由三根三元素锗探测器弦组成,周围环绕着20厘米厚的高纯度无氧铜,这些铜是抵御环境辐射的被动屏障。为了保持相对较低的温度,探测器会直接浸入液氮中。
他解释说:“在锗探测器中,我们可以通过观察暗光子吸收和转化成电子的过程来对暗光子进行实验检测,这一过程类似于SM光子的光电效应。强光子源(例如太阳)为寻找暗光子提供了一个很好的平台。在100 eV的范围内,点接触锗探测器的低能量阈值特别适合于暗光子的研究。”
在他们最近的论文中,Yue和她的同事对2017年2月到2018年8月期间使用CJPL探测器收集的数据进行了分析,寻找两个暗物质候选目标——太阳暗光子和暗光子。虽然研究人员无法观察到指向这两种候选粒子的信号,但他们设法设定了暗光子和SM光子之间的有效动态混合参数约束条件。
Yue说:“作为暗物质的候选目标,以及暗物质与正常物质之间的潜在新相互作用介质,暗光子对进一步的理论和实验工作来说很吸引。我们的研究探索了一个新的参数空间,并在直接探测实验中对太阳暗光子设置了最严格的限制。”
Yue和他同事们最近进行的研究提供了一些有价值的新反馈,这些反馈可能会为未来暗物质的研究,特别是暗光子的研究提供信息。此外,他们的研究还增加了目前世界范围内对探索其他候选暗物质的兴趣,推动了国际范围内探索WIMP以外的其它暗物质候选目标,及其与核的弹性散射检测通道的深入研究。
“为了进一步推进寻找轻暗物质,在未来两年的时间内,我们将把CDEX-10探测器阵列重新安装在一个更大的液氮箱内,届时,6米厚的液氮可以屏蔽探测器周围的辐射,这个液氮箱体积约1700立方米,将会放置在新CJPL-II实验室的Hall-C。液氮箱内将会放置更多的锗探测器,重量可达100公斤,这样的话背景干扰将会更少,检测效率也更高。”
原文:https://phys.org/news/2020-04-constraints-dark-photons.html
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