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紫金山天文台等提出暗物质直接探测实验中的新周日调制效应

  现代天文学观测表明宇宙由5%的普通物质,25%的暗物质和70%的暗能量构成。暗物质的本质是当前物理学面临的重大问题,相关研究可望带来物理学新的革命。暗物质极有可能是一种超出标准模型的新物理粒子,实验上通常有三种办法来探测暗物质粒子:通过地下实验直接探测暗物质和普通物质的微弱碰撞、通过空间高能粒子和光子探测器间接探测暗物质粒子湮灭或衰变后的产物粒子以及通过高能粒子对撞产生暗物质粒子。我国在锦屏山深地实验室运行有PandaX和CDEX两个直接探测实验,也发射了“悟空”号暗物质粒子探测卫星进行间接探测。中国科研人员也在欧洲大型强子对撞机LHC上深入开展暗物质对撞探测。 

  

 

图1. 三种探测暗物质粒子的原理示意图 。 

  国际上关于暗物质直接探测的相关实验已开展了三十余年,迄今为止还没有明确观测到暗物质和普通物质相互作用的信号,实验结果对暗物质和普通物质的碰撞截面给出了很强的限制。然而由于探测器的阈值所限,通常直接探测实验只能覆盖有限的暗物质质量区间(一般大于质子质量),对于更低质量区间的暗物质现有直接探测实验难以有效覆盖。近年来有学者提出弥漫于银河系中的高能宇宙线将可以加速暗物质粒子,从而使得原本不足以在探测器中留下信号的轻质量暗物质粒子因为变得更快而可以被探测到,显著地拓宽了现有直接探测实验可覆盖的参数区间,成为近期的暗物质探测研究的热点。  

  在最近发表于《物理评论快报》的一项研究中,紫金山天文台袁强和上海交通大学葛韶锋、刘江来、周宁等合作提出,由于银河系中宇宙线分布和暗物质分布不均匀,宇宙线加速后的暗物质“流”呈现出方向上的各向异性,从银河系中心方向来的“高速”暗物质将显著多余偏离银心方向的“高速”暗物质。随着地球的自转,不同方向的暗物质粒子穿越地球的厚度也会呈现周日(恒星日)变化,导致暗物质粒子打到探测器上的概率产生周日变化,形成一个周日调制现象。这一效应可以有助于提高直接探测实验在低质量区间的灵敏度,并且可以提供独特的暗物质碰撞信号以区分背景。目前国际上正在开展的几个数吨级的液氙直接探测实验将显著地提升暗物质探测灵敏度,大家提出的这项新的效应也将成为这些实验在低质量区间的重要目标之一。 

  

 

图2. 宇宙线加速的暗物质直接探测信号随恒星时的变化。 

  该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院、上海市、江苏省、上海交通大学和Tencent基金会等的资助。 

  文章链接https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.091804 

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