研究提出暗物質直接探測實驗中的新周日調制效應

　　現代天文學觀測表明，宇宙由5%的普通物質、25%的暗物質和70%的暗能量構成。暗物質的本質是當前物理學的重要問題，相關研究可望帶來物理學新的革命。暗物質或是一種超出標準模型的新物理粒子，實驗上通常有三種辦法來探測暗物質粒子：通過地下實驗直接探測暗物質和普通物質的微弱碰撞、通過空間高能粒子和光子探測器間接探測暗物質粒子湮滅或衰變后的產物粒子，以及通過高能粒子對撞產生暗物質粒子。我國在錦屏山深地實驗室運行兩個直接探測實驗PandaX和CDEX，發射“悟空”號暗物質粒子探測衛星進行間接探測，并在歐洲大型強子對撞機LHC上深入開展暗物質對撞探測。

　　國際上，關于暗物質直接探測的相關實驗已開展多年，迄今尚未明確觀測到暗物質和普通物質相互作用的信號，實驗結果對暗物質和普通物質的碰撞截面提出了很強的限制。然而，由于探測器的閾值所限，通常直接探測實驗只能覆蓋有限的暗物質質量區間（一般大于質子質量），對于更低質量區間的暗物質現有直接探測實驗難以有效覆蓋。近年來，有學者提出彌漫于銀河系中的高能宇宙線將可加速暗物質粒子，從而使得原本不足以在探測器中留下信號的輕質量暗物質粒子由于變得更快而可被探測到，顯著地拓寬了現有直接探測實驗可覆蓋的參數區間，成為近期的暗物質探測研究的熱點。

　　在近日發表于《物理評論快報》的研究中，中國科學院紫金山天文臺研究員袁強和上海交通大學副教授葛韶鋒、教授劉江來、特別研究員周寧等合作提出，由于銀河系中宇宙線分布和暗物質分布不均勻，宇宙線加速后的暗物質“流”呈現出方向上的各向異性，從銀河系中心方向來的“高速”暗物質將顯著多余偏離銀心方向的“高速”暗物質。隨著地球的自轉，不同方向的暗物質粒子穿越地球的厚度會呈現周日（恒星日）變化，導致暗物質粒子打到探測器上的概率產生周日變化，形成一個周日調制現象。這一效應可以有助于提高直接探測實驗在低質量區間的靈敏度，并可以提供獨特的暗物質碰撞信號以區分背景。目前，國際上正在開展的數噸級的液氙直接探測實驗將顯著地提升暗物質探測靈敏度，研究提出的這項新的效應也將成為這些實驗在低質量區間的重要目標之一。

　　研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院、上海市、江蘇省、上海交通大學和騰訊基金會等的資助。

圖1.三種探測暗物質粒子的原理示意圖

圖2.宇宙線加速的暗物質直接探測信號隨恒星時的變化