暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)XENON1T位于意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室地下，利用2噸重的液氙作為探測(cè)器，試圖捕捉穿行其中，和原子核或者電子反應(yīng)的暗物質(zhì)蹤跡。擁有極低的本底噪聲以及噸級(jí)的靶，使得XENON1T給出過(guò)世界領(lǐng)先的暗物質(zhì)限制。在剛發(fā)表不久的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于電子反沖信號(hào)的搜索超過(guò)本底的預(yù)期。在反沖能量低于7千電子伏特的區(qū)域，有大約53個(gè)事例超出了本底的232個(gè)。這些信號(hào)是否來(lái)源于背景的低估，還是暗物質(zhì)等新物理，成為了最近高能物理研究的熱點(diǎn)話(huà)題。實(shí)驗(yàn)組嘗試用太陽(yáng)中跑出的軸子、暗光子或是攜帶反常電偶極矩的中微子來(lái)解釋?zhuān)欢鴣?lái)自天體物理比如紅巨星或是白矮星冷卻帶來(lái)的限制卻和這兩種解釋不兼容。 

　　最近，理論物理所舒菁研究員和美國(guó)猶他大學(xué)趙悅助理教授研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究表明，這個(gè)溢出可以自然地被一種加速的暗物質(zhì)解釋。這些加速后的暗物質(zhì)從某個(gè)特點(diǎn)方向穿過(guò)探測(cè)器，將液氙的核外電子電離產(chǎn)生超出的事例數(shù)。同時(shí)，研究預(yù)言，暗物質(zhì)在穿行地球過(guò)程中會(huì)和地球內(nèi)物質(zhì)發(fā)生同樣的相互作用而損失能量，且穿行距離隨著地球自轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)以天為單位的周期性。這樣一來(lái)，加速暗物質(zhì)來(lái)源的方向就可以蘊(yùn)含在這些以天為周期震蕩的事例數(shù)中。　　  

　　對(duì)于傳統(tǒng)暗物質(zhì)，其在太陽(yáng)系附近的運(yùn)動(dòng)速度由維里定理通過(guò)星系引力勢(shì)能決定，大約是光速的一千分之一。這個(gè)速度的暗物質(zhì)和氙原子外電子散射時(shí)，其反沖能量較難達(dá)到XENON1T實(shí)驗(yàn)的閾值即1千電子伏特。要想產(chǎn)生超過(guò)閾值的信號(hào)，需要給暗物質(zhì)加速，讓其動(dòng)能提高一千倍左右。暗物質(zhì)加速機(jī)制在粒子物理模型中較為普遍。比如，在銀河系中心，暗物質(zhì)擁有著較高的能量密度，可以相互之間湮滅產(chǎn)生較輕的粒子。如果湮滅之后的產(chǎn)物仍舊有部分是標(biāo)準(zhǔn)模型外的粒子，湮滅前粒子的較大質(zhì)量，會(huì)貢獻(xiàn)到其動(dòng)能上，而使之比其他的暗粒子跑得更快。此外，通過(guò)高能宇宙線(xiàn)碰撞、和太陽(yáng)中高溫的電子反應(yīng)都可以提高暗物質(zhì)粒子的動(dòng)能，使其速度就遠(yuǎn)大于維里速度，可以完美地解釋XENON1T實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的反常溢出信號(hào)(圖一)。 

　　圖一: 加速暗物質(zhì)解釋XENON1T事例的例子能譜。其中，黑色格點(diǎn)為事例數(shù)，灰色線(xiàn)為預(yù)計(jì)的背景，橙色為擁有0.06倍光速暗物質(zhì)電離核外電子產(chǎn)生的反常能譜，紅色為預(yù)言的總事例數(shù)。 　　

　　對(duì)于這些加速了的暗物質(zhì)，和傳統(tǒng)維里化暗物質(zhì)不同的是，它們會(huì)從某一固定方向而來(lái)。銀河系中心是較為自然的加速暗物質(zhì)起源，但是我們也不能忽略從太陽(yáng)而來(lái)的可能。甚至星系中一些不發(fā)光的成團(tuán)物質(zhì)也可以成為其真正的來(lái)源。一個(gè)獨(dú)特的預(yù)言是可以通過(guò)信號(hào)在每天不同時(shí)刻的堆積情況來(lái)判定其的來(lái)源方向。由于用來(lái)解釋反常的加速暗物質(zhì)模型擁有著和電子較大的相互作用截面，其在地球內(nèi)部的穿行會(huì)經(jīng)歷多次類(lèi)似的散射。為了屏蔽背景噪聲，XENON1T探測(cè)器位于意大利Gran Sasso國(guó)家實(shí)驗(yàn)室地下1.4千米。因此，加速暗物質(zhì)和地球內(nèi)部物質(zhì)總會(huì)有一定程度的碰撞。由于地球的自傳，從某一固定方向傳來(lái)的加速暗物質(zhì)在地球內(nèi)部的穿行距離也會(huì)隨時(shí)間而變(圖二)。從探測(cè)器背后穿行過(guò)來(lái)的暗物質(zhì)流必然小于正面對(duì)著時(shí)候的。如果能觀察到這條以天為周期的曲線(xiàn)，那就可以從一定程度上重建出暗物質(zhì)的來(lái)源。一般來(lái)說(shuō)，能譜峰值的恒星時(shí)時(shí)刻對(duì)應(yīng)于暗物質(zhì)方向在赤道坐標(biāo)系上的經(jīng)度，而譜型的形狀可以反映其緯度。這些信息可以一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有觀測(cè)無(wú)法判斷信號(hào)方向的限制，用以區(qū)分其是否是加速暗物質(zhì)亦或只是錯(cuò)誤的背景估算。 

　　物質(zhì)從銀河中心傳播到達(dá)格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室時(shí)穿越地球的距離在一個(gè)恒星日內(nèi)的變化。下方為從太陽(yáng)方向過(guò)來(lái)的加速暗物質(zhì)穿行地球距離在一個(gè)太陽(yáng)日的變化，同時(shí)隨著季節(jié)不同而變。 　  

　　這一研究發(fā)表在最新的Phys.Rev.Lett. 125 (2020) 16, 161804上, 并得到了編輯推薦(Editor’s Suggestion). 美國(guó)物理學(xué)會(huì)(APS)為上述研究成果在雜志《Physics》上專(zhuān)題報(bào)道撰文對(duì)公眾加以解讀。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、中國(guó)以色列國(guó)際合作項(xiàng)目、理論物理專(zhuān)款“彭桓武理論物理創(chuàng)新研究中心”和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(B)的支持。 　　  

　　https://physics.aps.org/articles/v13/s132 　　  

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　　https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.161804