【儀表網 研發快訊】現代物理學表明，暗物質像一團“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。當暗物質實驗靈敏度達到一定程度時，會探測到太陽內部核聚變產生的中微子通過與原子核發生相干彈性散射(Coherent Elastic neutrino-nucleus scattering, CEvNS)的信號。這種中微子信號與暗物質信號相似，暗物質信號可能會淹沒在其中，這種現象也因此被稱為“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)同期發表兩個暗物質實驗獨立測量到“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，其中靈敏區域有5.9噸高純液氙作為探測靶物質。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，保證探測器穩定、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實驗不僅靠看得見的硬件系統，還有數據與軟件構筑的物理分析金字塔。基于海量數據，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，另一方面開發一系列方法區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·年的數據。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據。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，揭盲的數據中有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調人(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。
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