【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】現(xiàn)代物理學(xué)表明，暗物質(zhì)像一團(tuán)“氣體”包裹著銀河系，以極微小的概率與地球上的粒子相互作用。XENONnT實(shí)驗(yàn)用液氙作為粒子“捕手”，期望直接探測到這類稀有事件。當(dāng)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)靈敏度達(dá)到一定程度時，會探測到太陽內(nèi)部核聚變產(chǎn)生的中微子通過與原子核發(fā)生相干彈性散射(Coherent Elastic neutrino-nucleus scattering, CEvNS)的信號。這種中微子信號與暗物質(zhì)信號相似，暗物質(zhì)信號可能會淹沒在其中，這種現(xiàn)象也因此被稱為“中微子霧”。在一系列太陽中微子中，最先能測到的中微子來自硼-8同位素反β衰變反應(yīng)，通常被稱為硼-8中微子。硼-8中微子是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的“老朋友”，在歷史上多次被測量并帶來對中微子物理和太陽物理的新認(rèn)識，但此前硼-8中微子尚未通過CEvNS過程測量。
 

圖1.XENONnT實(shí)驗(yàn)測量太陽硼-8中微子示意圖
 

　　今年7月10日，兩年一度的國際暗物質(zhì)大會在意大利舉行。會上，清華大學(xué)物理系副教授高飛代表XENON合作組發(fā)布了一項(xiàng)突破性成果：運(yùn)行于格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室的XENONnT實(shí)驗(yàn)利用液氙暗物質(zhì)探測器直接探測到了太陽“中微子霧”，并測量了太陽硼-8中微子流強(qiáng)和中微子與氙原子核相干彈性散射截面。值得指出的是，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的PandaX-4T實(shí)驗(yàn)也在同一會議上發(fā)布了對這一信號的測量結(jié)果。11月7日，《物理評論快報》(Physical Review Letters)同期發(fā)表兩個暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立測量到“中微子霧”的文章。
 

　　圖2.XENONnT實(shí)驗(yàn)裝置和探測原理示意圖：液氙探測器通過讀出閃爍光和電離信號探測粒子相互作用
 

　　XENON是一個國際合作組，最新一代XENONnT實(shí)驗(yàn)運(yùn)行于意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室(LNGS)，用1400米的巖石屏蔽宇宙線干擾。實(shí)驗(yàn)的中心探測器是一個雙相時間投影室，其中靈敏區(qū)域有5.9噸高純液氙作為探測靶物質(zhì)。站在XENONnT實(shí)驗(yàn)裝置前(圖2)，會看到10米高的大水罐，其中的700噸純水和中子、繆子反符合系統(tǒng)包圍著中心探測器，可以進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)的本底水平。水罐旁三層的輔助建筑里有多個先進(jìn)的子系統(tǒng)，保證探測器穩(wěn)定、高靈敏地運(yùn)行。
 

　　圖3.(左)太陽硼-8中微子流強(qiáng)的測量結(jié)果(右)中微子與氙原子核相干彈性散射截面測量結(jié)果
 

　　龐大精巧的液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)不僅靠看得見的硬件系統(tǒng)，還有數(shù)據(jù)與軟件構(gòu)筑的物理分析金字塔。基于海量數(shù)據(jù)，分析人員一方面理解和刻畫探測器中太陽中微子信號可能的分布，另一方面開發(fā)一系列方法區(qū)分噪音和真正的信號事件。為了積累足夠的曝光量以獲得統(tǒng)計(jì)顯著度，從2021年7月7日到2023年8月8日，XENONnT實(shí)驗(yàn)采集了總有效曝光量為3.5噸·年的數(shù)據(jù)。為了避免主觀偏差，在確定好所有分析方案前，分析團(tuán)隊(duì)不能看到真正可能含有信號的數(shù)據(jù)。這種“盲分析”的方法是尋找稀有信號的領(lǐng)域共識。2024年7月初，在全合作組見證下，揭盲的數(shù)據(jù)中有37個事件，其中預(yù)期的噪音事件約為26個。這些事件特征與太陽硼-8中微子信號相吻合，統(tǒng)計(jì)顯著度為2.7個標(biāo)準(zhǔn)差，意味著多出的約10個事件只有千分之三的概率是由本底漲落造成。這標(biāo)志著暗物質(zhì)探測器首次探測到太陽“中微子霧”。
 

　　相關(guān)研究成果由XENON合作組全體成員共同完成。清華大學(xué)物理系2021級博士生劉可欣和哥倫比亞大學(xué)2022級博士生徐大成(清華大學(xué)2022屆本科畢業(yè)生)在高飛指導(dǎo)下參與了大部分物理分析工作，并負(fù)責(zé)最大實(shí)驗(yàn)本底的壓低和預(yù)測，為此項(xiàng)突破成果作出關(guān)鍵貢獻(xiàn)。清華大學(xué)物理系劉可欣、哥倫比亞大學(xué)物理系徐大成和香港中文大學(xué)(深圳)理工學(xué)院葉靖強(qiáng)助理教授為論文的共同通訊作者。
 

　　清華大學(xué)物理系高飛副教授團(tuán)隊(duì)于2020年加入XENON國際合作組。2021年，高飛作為物理分析協(xié)調(diào)人(Analysis Coordinator)帶領(lǐng)物理分析團(tuán)隊(duì)首次嘗試?yán)肵ENON1T實(shí)驗(yàn)尋找太陽硼-8中微子的蹤跡。在此基礎(chǔ)上，XENON合作組將探測太陽硼-8中微子作為合作組最重要的物理分析課題之一。該研究得到清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目支持。