【仪表网 研发快讯】现代物理学表明，暗物质像一团“气体”包裹着银河系，以极微小的概率与地球上的粒子相互作用。XENONnT实验用液氙作为粒子“捕手”，期望直接探测到这类稀有事件。当暗物质实验灵敏度达到一定程度时，会探测到太阳内部核聚变产生的中微子通过与原子核发生相干弹性散射(Coherent Elastic neutrino-nucleus scattering, CEvNS)的信号。这种中微子信号与暗物质信号相似，暗物质信号可能会淹没在其中，这种现象也因此被称为“中微子雾”。在一系列太阳中微子中，最先能测到的中微子来自硼-8同位素反β衰变反应，通常被称为硼-8中微子。硼-8中微子是实验物理学家的“老朋友”，在历史上多次被测量并带来对中微子物理和太阳物理的新认识，但此前硼-8中微子尚未通过CEvNS过程测量。
图1.XENONnT实验测量太阳硼-8中微子示意图
今年7月10日，两年一度的国际暗物质大会在意大利举行。会上，清华大学物理系副教授高飞代表XENON合作组发布了一项突破性成果：运行于格兰萨索国家实验室的XENONnT实验利用液氙暗物质探测器直接探测到了太阳“中微子雾”，并测量了太阳硼-8中微子流强和中微子与氙原子核相干弹性散射截面。值得指出的是，中国锦屏地下实验室运行的PandaX-4T实验也在同一会议上发布了对这一信号的测量结果。11月7日，《物理评论快报》(Physical Review Letters)同期发表两个暗物质实验独立测量到“中微子雾”的文章。
图2.XENONnT实验装置和探测原理示意图：液氙探测器通过读出闪烁光和电离信号探测粒子相互作用
XENON是一个国际合作组，最新一代XENONnT实验运行于意大利格兰萨索国家实验室(LNGS)，用1400米的岩石屏蔽宇宙线干扰。实验的中心探测器是一个双相时间投影室，其中灵敏区域有5.9吨高纯液氙作为探测靶物质。站在XENONnT实验装置前(图2)，会看到10米高的大水罐，其中的700吨纯水和中子、缪子反符合系统包围着中心探测器，可以进一步降低实验的本底水平。水罐旁三层的辅助建筑里有多个先进的子系统，保证探测器稳定、高灵敏地运行。
图3.(左)太阳硼-8中微子流强的测量结果(右)中微子与氙原子核相干弹性散射截面测量结果
庞大精巧的液氙暗物质实验不仅靠看得见的硬件系统，还有数据与软件构筑的物理分析金字塔。基于海量数据，分析人员一方面理解和刻画探测器中太阳中微子信号可能的分布，另一方面开发一系列方法区分噪音和真正的信号事件。为了积累足够的曝光量以获得统计显著度，从2021年7月7日到2023年8月8日，XENONnT实验采集了总有效曝光量为3.5吨·年的数据。为了避免主观偏差，在确定好所有分析方案前，分析团队不能看到真正可能含有信号的数据。这种“盲分析”的方法是寻找稀有信号的领域共识。2024年7月初，在全合作组见证下，揭盲的数据中有37个事件，其中预期的噪音事件约为26个。这些事件特征与太阳硼-8中微子信号相吻合，统计显著度为2.7个标准差，意味着多出的约10个事件只有千分之三的概率是由本底涨落造成。这标志着暗物质探测器首次探测到太阳“中微子雾”。
相关研究成果由XENON合作组全体成员共同完成。清华大学物理系2021级博士生刘可欣和哥伦比亚大学2022级博士生徐大成(清华大学2022届本科毕业生)在高飞指导下参与了大部分物理分析工作，并负责最大实验本底的压低和预测，为此项突破成果作出关键贡献。清华大学物理系刘可欣、哥伦比亚大学物理系徐大成和香港中文大学(深圳)理工学院叶靖强助理教授为论文的共同通讯作者。
清华大学物理系高飞副教授团队于2020年加入XENON国际合作组。2021年，高飞作为物理分析协调人(Analysis Coordinator)带领物理分析团队首次尝试利用XENON1T实验寻找太阳硼-8中微子的踪迹。在此基础上，XENON合作组将探测太阳硼-8中微子作为合作组最重要的物理分析课题之一。该研究得到清华大学自主科研项目支持。
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