宇宙学和天体物理观测表明，宇宙总能量密度约四分之一，是由一种被称为暗物质的非常规类型的物质组成。这类物质被认为是由不吸收、发射或反射光的颗粒组成，因此不能用传统的检测方法直接观察到。世界各地的科学家都在进行旨在探测宇宙中暗物质的研究，但到目前为止，还没有一项研究取得成功。即使是暗物质的首选候选者，弱相互作用的大质量粒子(WIMP)，也还没有在实验上被观测到。
中国暗物质实验(CDEX)合作，清华大学和中国其他大学的一个大型研究团队，现在进行了一项不同的可能暗物质候选者搜索，被称为暗光子。虽然搜索没有成功，但其研究发表在《物理评论快报》上，确定了暗光子参数的新限制条件，这可能会为未来的研究提供信息。开展这项研究的研究人员之一钱悦（音译）表示：暗光子是一种假想的不可见粒子，它是一个很有吸引力的暗物质候选者，它也可能是暗物质和正常物质之间新的相互作用媒介。
对暗物质的研究和探测可能有助于粒子物理标准模型(SM)的延伸，并扩大我们对宇宙的认识。CDEX合作使用安装在中国锦屏地下实验室(CJPL)的10千克p型点接触锗探测器，已经进行了一段时间的轻暗物质搜索。锦屏地下实验室也是世界上最深的地下研究设施，岩石覆盖层达2400米。研究人员使用的探测器由三个三元素锗探测器串组成，周围环绕着20厘米厚的高纯度无氧铜，铜起到了被动屏蔽环境辐射的作用。
该仪器直接浸泡在液氮中，以保持相对较低的温度。暗光子可以通过在锗探测器中吸收和转换成电子的实验来探测，这个过程类似于SM光子的光电效应，暗光子可以通过吸收和转换成电子的方式在实验中被探测到，这个过程类似于SM光子的光电效应。强烈的光子源，如太阳，为寻找暗光子提供了一个极好的平台。在100 eV范围内，点接触锗探测器的低能量阈值特别适合研究暗光子。
在新研究论文中，清华大学研究人员及其合作者分析了2017年2月至2018年8月期间使用锦屏地下实验室探测器收集的数据，寻找太阳暗光子和暗光子，这两种都是暗物质候选者。虽然研究人员无法观察到指向这两个候选光子中任何一个的信号，但设法对暗光子和SM光子之间的有效动力学混合参数设置了限制。作为暗物质一个有吸引力的候选者，以及暗物质和正常物质之间新的可能相互作用媒介，暗光子对进一步的理论和实验工作很有吸引力。
研究探索了一个新的参数空间，并在直接探测实验中对太阳暗光子设定了最严格的限制。这项研究提供了一些有价值的新反馈，这些反馈可能会为未来寻找暗物质，特别是暗光子提供信息。此外，研究加强了目前全世界对探索其他候选暗物质的兴趣，超越了WIMP及其与原子核弹性散射的探测通道。为了进一步推进对暗物质的搜索，研究人员计划将在未来两年内在锦屏地下实验室-II实验室的C厅重新安装CDEX-10探测器阵列。
这个新的、更大的液氮冷藏箱体积约为1700立方米，那里由6米厚的液氮提供对环境放射性的屏蔽，计划在冷藏箱中部署额外的锗探测器，最高可达100公斤，背景减少，探测效率更高。
博科园｜研究/来自：清华大学
Copyright Science X Network Ingrid Fadelli/Phys
参考期刊《物理评论快报》
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