世界各地的天体物理学家团队正在尝试观察不同可能类型的暗物质(DM)，这是宇宙中不发射、吸收或反射光的假设物质，因此很难探测到。然而，由费米子构成的费米子DM迄今为止主要在理论上进行了探索。
PandaXCollaboration是中国参与PandaX-4T实验的大型研究人员联盟，最近开展了一项研究，旨在将直接检测费米子DM的实验的敏感质量窗口从GeV以上扩展到MeV甚至keV范围。
该团队最近在《物理评论快报》上发表了两篇论文，概述了使用PandaX-4T实验收集的数据对费米子DM吸收的两次搜索的结果，这是一项旨在使用双核检测DM的大规模研究工作。中国相位时间投影室(TPC)。
“随着巨大的DM转化为无质量的中微子，DM质量被吸收并转化为中微子的动能，最重要的是被反冲的电子或核目标，”执行这项研究的研究人员之一葛绍峰教授说这项研究告诉Phys.org。
“根据爱因斯坦关系E=mc2，通过有效的质量转换为能量，即使是keV(MeV)DM也可以在反冲电子(原子核)中沉积足够大的反冲能量。”
通过检测由吸收其质量产生的反冲能量来观察轻费米子DM的想法最早出现在几年前，此后被不同的理论物理学家群体探索。虽然这些研究提供了有价值的理论预测，但这些预测迄今为止从未经过实验测试。
“过去的现象学论文确定了这种独特通道的基本特征，用于费米子DMr搜索，”葛教授解释说。“PandaX合作努力首先使用真实数据搜索预测信号。”
理论研究预测，在核吸收反应中，DM的质量被转化为动能，为向外的中微子和原子核充电。这种能量，称为“核反冲能量”，应该与DM质量的平方大致成正比，从而产生独特的单能谱。在他们的第一项研究中，PandaX-4T合作试图检测原子核吸收费米子DM所产生的能量。
“这种单能光谱与传统的弹性散射光谱有很大不同，之前在DM直接检测实验中没有专门搜索过，”另一位参与该研究的研究员陶毅博士告诉Phys.org。“作为PandaX-4T搜索的一部分，我们对核反冲能量重建进行了专门研究，然后比较了模拟和中子校准数据。”
研究人员发现，他们的双相时间投影室(TPC)收集的数据与他们的探测器响应理论模型之间有很好的一致性。更具体地说，他们扫描的信号区域对应于高达100keV的核反冲能量，涵盖了从30MeV/c2到125MeV/c2的DM质量参数。
与核吸收过程类似，预计电子吸收过程也对光DM敏感，但质量范围不同。事实上，电子吸收过程意味着将假设的费米子DM粒子的静态质量转换为电子的动能，从而产生自由电子。
图表示氙对暗物质的吸收。信用：熊猫合作。
理论上，费米子DM应该在液态氙探测器中诱导电子反冲信号，可以通过实验检测到。在他们的第二项研究中，PandaX-4T合作寻找费米子DM的其他潜在痕迹。
电子比原子核轻得多，因此在吸收过程中更容易被射出。因此，电子吸收搜索可能对亚MeV质量范围敏感。
“此外，与核反冲信号中相当多的能量被淬灭成热量并且无法在液态氙探测器中检测到的核反冲信号不同，大部分电子反冲能量是可以检测到的，”另一位进行这项研究的研究员张丹博士说，告诉Phys.org。
“对于更详细的理论模型，已经用有效的场论方法研究了四费米子过程(费米子DM+电子->电子+中微子)中的不同假设六维算子。事实证明，电子吸收信号将是相似的，无论如何直接探测实验中的算子，但对耦合的解释有很大不同，与其他宇宙学和天体物理观测的比较也不同。”
张博士和PandaX-4T合作的其他成员进行的对电子吸收的亚MeV费米子DM的搜索并未导致在预期背景下检测到任何重要信号。尽管如此，该团队还是能够为质量为几十keV/c2的DM设置轴向矢量和矢量相互作用的最强限制，这超过了此类轻费米子DM的现有天文学和宇宙学限制。
“大约两年前，XENON1T报告了低能量过剩，根据现象学研究，这可以解释为60keV/c2费米子DM的电子吸收，”张博士说。“这种可能性现在受到我们数据的挑战。”
PandaX-4T合作最近进行的搜索突出了核吸收和电子吸收过程作为搜索轻质DM通道的潜力。将来，他们可以激发全球其他天体物理学合作进行类似的搜索。
“一旦观察到任何过量，过量的能量将表明DM的质量，”参与该研究的另一位研究员NingZhou教授告诉Phys.org。“对于这个通道，我们首次获得了对亚GeVDM核子散射截面的模型独立约束，并首次探测到35MeV/c2DM质量的10^-50cm2区域。此外，我们研究了一个带有Z'介体的UV完全模型，它将宇宙学约束、对撞机约束和我们直接检测的限制结合在一起。”
到目前为止，熊猫X-4T合作成功地为旨在直接检测费米子DM的实验设定了新的限制。由于他们的实验正在进行中，因此仍在收集数据，该团队将很快对难以捉摸的轻型DM进行额外搜索。
PandaX合作组织发言人刘江来教授告诉Phys.org：“我们报告的数据相当于将600公斤的液态氙目标暴露在这种假设的DM的光照下一年。”“当PandaX-4T在2025年结束时，我们预计累积暴露量将增加10倍。我们还希望通过彻底的校准更准确地了解我们的探测器对核反冲和电子反冲信号，我们很高兴看到故事在未来展开。”