【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】現(xiàn)代物理學表明，暗物質(zhì)像一團“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實驗用液氙作為粒子“捕手”，期望直接探測到這類稀有事件。當暗物質(zhì)實驗靈敏度達到一定程度時，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，通常被稱為硼-8中微子。硼-8中微子是實驗物理學家的“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識，但此前硼-8中微子尚未通過CEvNS過程測量。
 

圖1.XENONnT實驗測量太陽硼-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，清華大學物理系副教授高飛代表XENON合作組發(fā)布了一項突破性成果：運行于格蘭薩索國家實驗室的XENONnT實驗利用液氙暗物質(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，中國錦屏地下實驗室運行的PandaX-4T實驗也在同一會議上發(fā)布了對這一信號的測量結果。11月7日，《物理評論快報》(Physical Review Letters)同期發(fā)表兩個暗物質(zhì)實驗獨立測量到“中微子霧”的文章。
 

　　圖2.XENONnT實驗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實驗運行于意大利格蘭薩索國家實驗室(LNGS)，用1400米的巖石屏蔽宇宙線干擾。實驗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實驗裝置前(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，可以進一步降低實驗的本底水平。水罐旁三層的輔助建筑里有多個先進的子系統(tǒng)，保證探測器穩(wěn)定、高靈敏地運行。
 

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

　　龐大精巧的液氙暗物質(zhì)實驗不僅靠看得見的硬件系統(tǒng)，還有數(shù)據(jù)與軟件構筑的物理分析金字塔?；诤Ａ繑?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)計顯著度，從2021年7月7日到2023年8月8日，XENONnT實驗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，分析團隊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)計顯著度為2.7個標準差，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。這標志著暗物質(zhì)探測器首次探測到太陽“中微子霧”。
 

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

　　清華大學物理系高飛副教授團隊于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)帶領物理分析團隊首次嘗試利用XENON1T實驗尋找太陽硼-8中微子的蹤跡。在此基礎上，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自主科研項目支持。