首次實現：直接研究非彈性增強暗物質！

一組研究人員在韓國，美國、巴西、印度尼西亞和英國利用一種地面探測器對非彈性增強暗物質(IBDM)進行了直接研究，其研究發表在《物理評論快報》(PRL)上，這是首次使用地面探測器進行非彈性增強暗物質(IBDM)實驗研究。過去天體物理學研究收集到的觀測結果表明，宇宙的主要物質成分不是普通物質，而是非重子暗物質。研究人員通過直接探測、間接探測和對撞機實驗，為尋找暗物質做出了巨大的努力，但到目前為止，他們的嘗試都沒有成功。

博科園：缺乏成功促使他們尋找其他類型的暗物質，如輕質量模型或相對bosted dark matter (BDM)，它們在探測器中具有本質上不同的特徵。正是因為這些新類型的暗物質會產生非傳統的特徵，它們中很少有成為傳統暗物質實驗的焦點。韓國大田基礎科學研究所的研究員Hyun Su Lee說：儘管科學家們在過去的幾十年里一直在尋找WIMP(弱相互作用的大質量粒子)暗物質，但還沒有觀察到明顯的信號。這激發了研究人員尋找其他類型的暗物質，它們可能在探測器中發出明顯不同的信號。

（圖示）(a)生產銀河系中心相對論BDMχ1χ0重暗物質的湮滅。(b)在兩種不同的NaI(Tl)和液體閃爍體(LS)檢測器中發生兩種相互作用的情況下，BDM非彈性相互作用多位點命中的說明。(c) bremsstrahlung輻射在兩個NaI(Tl)或LS檢測器上引起的撞擊的說明。圖片：Ha et al

一種想法是尋找多組分暗物質，在這種情況下，每一個暗物質成分都可能是WIMP暗物質，但質量不同。幾年前，馬里蘭大學(University of Maryland)和麻省理工學院(MIT)的研究人員推出了一個新模型，描述了星系中心或太陽中較重的暗物質粒子湮滅後產生的相對論性暗物質粒子。根據模型，這將需要至少兩種暗物質粒子，包括一個多組分暗物質。質量較重的候選暗物質可以衰變為輕暗物質。由於質量與能量相等，在多組分暗物質的情況下，不同組分之間的質量差異會導致光暗物質的高速運動。

COSINE-100探測器裡面，（下同最後兩幅圖）圖片：Ha et al

因此「增強暗物質」一詞基本上意味著入射暗物質具有相對較高的速度。來自高速暗物質的預期信號是高能電子反衝，而典型暗物質則帶來低能量的核反衝，這一理論在過去幾年裡得到了很大的發展。在那之後，理論家們開始考慮非彈性散射，因為暗物質有多種成分。在化學和物理中，非彈性散射是入射粒子的動能不守恆，而是損失或增加的基本過程。歐洲核子研究中心的研究人員，以及韓國和美國的其他機構研究人員，已經從理論上證明了暗物質的非彈性相互作用。

COSINE-100探測器外面，圖片：Ha et al

根據理論，相對論性暗物質通過與電子的非彈性散射與目標物質相互作用，形成一種更重的狀態，隨後產生標準的模型粒子，如電子-正電子對。在非彈性散射中，第一個高能電子是由一個額外的暗區粒子產生，這樣一個暗區粒子正在衰變為具有一定位移的電子正電子對。到目前為止，還沒有實驗仔細研究過這類信號，所以認為這可能是解釋暗物質問題的一個很好替代方案。在研究中，Lee和同事首次用地面探測器直接搜索非彈性增強暗物質(IBDM)。

從本質上講，將8塊總質量為106千克的Nal(TI)晶體浸入一個2200升的液體閃爍體中，周圍環繞著厚厚的屏蔽層，以阻擋輻射背景。用106公斤的NaI(Tl)和2噸的LS (LS)作為一個主動探測器，來尋找一個高能電子加上一個電子正電子對。它們在兩個不同的探測器組件中沉積了能量，因為探測器的質量和許多組件，它對這類信號的靈敏度相對較好。不幸的是，Lee和同事無法在數據中檢測到IBDM信號。儘管如此，他們的研究是開創性的，因為之前沒有人使用探測器來尋找這種特殊類型的暗物質。

研究工作是一個名為COSINE-100更大項目的一部分，該項目專門測試DAMA實驗觀測到暗物質的年度調製。研究人員認為，使用相同的探測器或其他噸級暗物質探測器進一步搜索IBDM信號將會更有成效。為了加強對暗物質的研究，將使用磁碟上現有數據集的大約10倍來改進分析，還計劃搜索彈性散射通道，並期待更新的搜索將探索在任何其他實驗中尚未搜索的大參數空間。

博科園-科學科普｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.131802

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