PandaX对通过电离信号寻找光暗物质设置了新的限制

世界各地的物理学家团队一直在尝试探测暗物质，这是一种不发射、吸收或反射光的难以捉摸的物质。由于缺乏与电磁力的相互作用，这种物质很难直接观察，因此大多数研究人员转而寻找源自其与周围其他粒子相互作用的信号。

PandaX实验是一项致力于利用位于中国四川锦屏地下实验室(CJPL)的粒子和天体物理氙探测器收集的数据来寻找暗物质的研究工作。在最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，参与这项大规模实验的研究人员发表了他们最近寻找光暗物质(即质量低于1GeV的弱相互作用大质量粒子)的结果。

“目前，使用氙探测器直接探测实验中的无效结果得出的重质量暗物质候选者存在很大的限制，”代表PandaX合作的孟跃、林清和周宁告诉TechXplore。“然而，由于检测能量阈值，传统搜索对轻质量暗物质(小于GeV/c2)不敏感。使用仅电离信号(仅S2)搜索轻质量暗物质可以将能量阈值从约1keV降低到0.1keV。以前氙探测器中的仅S2数据分析无法对背景进行建模，这阻碍了对轻质量暗物质的有效和灵敏搜索。”

在双相氙探测器(如PandaX探测器)中，暗物质通常可以通过即时闪烁信号(S1)和电离信号(S2)显现出来。为了降低检测到该信号的阈值能量，Meng、Lin、Zhou和他们的同事重点研究了第二个信号(S2)，即所谓的电离信号，当电子从氙原子中电离，然后在电场下从液态氙中提取时，就会出现这种信号。

研究人员解释说：“我们专注于仅电离数据，因为电离信号S2在气体氙区域的高电场中被放大，并放宽了S1的要求。”“在PandaX-4T调试运行期间，收集了大约90天的数据。我们首先对控制区域进行非盲化以验证我们的背景估计，然后对轻质量暗物质信号测试的信号区域进行非盲化。最终，没有观察到明显的过量，我们得出了对轻暗物质粒子的约束。”

虽然PandaX合作最近的这项工作没有观测到暗示存在光暗物质的信号，但它使研究人员能够通过搜索电离信号来对此类暗物质的检测设定更严格的限制。这些约束描绘了点状暗物质-电子相互作用的质量范围为40MeV/c2至10GeV/c2，通过光介体的暗物质-电子相互作用的质量范围为100MeV/c2至10GeV/c2，暗物质-核子自旋无关的相互作用的质量范围为3.2至4GeV/c2。

孟、林和周说：“这是第一次在具有少电子级能量阈值的现代液氙时间投影室中理解和模拟纯电离背景。”“这些结果对质量范围从40MeV/c2到10GeV/c2的暗物质粒子的潜在相互作用提供了迄今为止最严格的限制，具体取决于相互作用的类型。新的限制正在接近研究人员预测的早期宇宙中由冻结和冻结机制产生的暗物质粒子可能居住的参数空间。”

PandaX合作设定的新限制可以为利用双相氙探测器收集的数据对光暗物质的新搜索提供信息。与此同时，PandaX探测器正在收集更多背景水平较低的数据，这可能有助于对光暗物质设定越来越严格的限制，从而可能有助于其未来的探测。

“PandaX-4T实验正在继续收集数据并提高搜索的灵敏度，”孟、林和周补充道。“基于我们对纯S2背景的进一步了解，我们计划通过使用更多收集的数据开发更好的辨别算法和/或优化运行条件来进一步抑制这种背景，以抑制此类背景的起源。”

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