首次实现：直接研究非弹性增强暗物质！

博科园 2019-04-18

首次实现：直接研究非弹性增强暗物质！

一组研究人员在韩国，美国、巴西、印度尼西亚和英国利用一种地面探测器对非弹性增强暗物质(IBDM)进行了直接研究，其研究发表在《物理评论快报》(PRL)上，这是首次使用地面探测器进行非弹性增强暗物质(IBDM)实验研究。

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过去天体物理学研究收集到的观测结果表明，宇宙的主要物质成分不是普通物质，而是非重子暗物质。研究人员通过直接探测、间接探测和对撞机实验，为寻找暗物质做出了巨大的努力，但到目前为止，他们的尝试都没有成功。

博科园：缺乏成功促使他们寻找其他类型的暗物质，如轻质量模型或相对bosted dark matter (BDM)，它们在探测器中具有本质上不同的特征。正是因为这些新类型的暗物质会产生非传统的特征，它们中很少有成为传统暗物质实验的焦点。韩国大田基础科学研究所的研究员Hyun Su Lee说：尽管科学家们在过去的几十年里一直在寻找WIMP(弱相互作用的大质量粒子)暗物质，但还没有观察到明显的信号。这激发了研究人员寻找其他类型的暗物质，它们可能在探测器中发出明显不同的信号。

（图示）(a)生产银河系中心相对论BDMχ1χ0重暗物质的湮灭。(b)在两种不同的NaI(Tl)和液体闪烁体(LS)检测器中发生两种相互作用的情况下，BDM非弹性相互作用多位点命中的说明。(c) bremsstrahlung辐射在两个NaI(Tl)或LS检测器上引起的撞击的说明。图片：Ha et al

一种想法是寻找多组分暗物质，在这种情况下，每一个暗物质成分都可能是WIMP暗物质，但质量不同。几年前，马里兰大学(University of Maryland)和麻省理工学院(MIT)的研究人员推出了一个新模型，描述了星系中心或太阳中较重的暗物质粒子湮灭后产生的相对论性暗物质粒子。根据模型，这将需要至少两种暗物质粒子，包括一个多组分暗物质。质量较重的候选暗物质可以衰变为轻暗物质。由于质量与能量相等，在多组分暗物质的情况下，不同组分之间的质量差异会导致光暗物质的高速运动。

COSINE-100探测器里面，（下同最后两幅图）图片：Ha et al

因此“增强暗物质”一词基本上意味着入射暗物质具有相对较高的速度。来自高速暗物质的预期信号是高能电子反冲，而典型暗物质则带来低能量的核反冲，这一理论在过去几年里得到了很大的发展。在那之后，理论家们开始考虑非弹性散射，因为暗物质有多种成分。在化学和物理中，非弹性散射是入射粒子的动能不守恒，而是损失或增加的基本过程。欧洲核子研究中心的研究人员，以及韩国和美国的其他机构研究人员，已经从理论上证明了暗物质的非弹性相互作用。

COSINE-100探测器外面，图片：Ha et al

根据理论，相对论性暗物质通过与电子的非弹性散射与目标物质相互作用，形成一种更重的状态，随后产生标准的模型粒子，如电子-正电子对。在非弹性散射中，第一个高能电子是由一个额外的暗区粒子产生，这样一个暗区粒子正在衰变为具有一定位移的电子正电子对。到目前为止，还没有实验仔细研究过这类信号，所以认为这可能是解释暗物质问题的一个很好替代方案。在研究中，Lee和同事首次用地面探测器直接搜索非弹性增强暗物质(IBDM)。

从本质上讲，将8块总质量为106千克的Nal(TI)晶体浸入一个2200升的液体闪烁体中，周围环绕着厚厚的屏蔽层，以阻挡辐射背景。用106公斤的NaI(Tl)和2吨的LS (LS)作为一个主动探测器，来寻找一个高能电子加上一个电子正电子对。它们在两个不同的探测器组件中沉积了能量，因为探测器的质量和许多组件，它对这类信号的灵敏度相对较好。不幸的是，Lee和同事无法在数据中检测到IBDM信号。尽管如此，他们的研究是开创性的，因为之前没有人使用探测器来寻找这种特殊类型的暗物质。

研究工作是一个名为COSINE-100更大项目的一部分，该项目专门测试DAMA实验观测到暗物质的年度调制。研究人员认为，使用相同的探测器或其他吨级暗物质探测器进一步搜索IBDM信号将会更有成效。为了加强对暗物质的研究，将使用磁盘上现有数据集的大约10倍来改进分析，还计划搜索弹性散射通道，并期待更新的搜索将探索在任何其他实验中尚未搜索的大参数空间。