中国科学家研究发现宇宙射线增强暗物质的一种新型的昼夜效应

诸平

物理学家组织网（phys.org）2021年3月29日介绍中国科学家发现暗物质（DM）的宇宙射线增强的昼夜效应，是由两个各向异性引起的。参与此项研究的有来自上海交通大学、教育部粒子天体物理学与宇宙学重点实验室和上海市粒子物理学与宇宙学重点实验室{Key Laboratory for Particle Astrophysics and Cosmology (MOE) and Shanghai Key Laboratory for Particle Physics and Cosmology}、中国科技大学以及北京大学的研究人员。

在过去的几十年中，天体物理学家和宇宙学家收集了各种观察结果，表明存在暗物质（dark matter 简称DM），暗物质是一种不吸收、反射或发射光的物质。因此，它不能通过常规的观察电磁辐射的方法来检测。物理学家已经根据天体物理学和宇宙学的观察，预测了它的存在，但是到目前为止，还没有从实验上观察到DM。

旨在通过常规技术直接检测DM（即用检测器搜索原子反冲）的实验中，最敏感的质量窗口为O（10）-100 GeV。在轻型DM中，尤其是在亚GeV范围内，DM的核散射不能产生超过现有技术检测到的阈值的原子反冲。

上海交通大学和中国科学院紫金山天文台的研究人员正在尝试寻找策略，以帮助克服这一挑战并揭示亚GeV DM在更广泛的敏感性范围内易于检测的特征信号。在他们2021年3月5日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letter）网站的论文中，显示了与宇宙射线增强的亚GeVDM（sub-GeVDM）相关的新型昼夜效应。这种效果可能允许直接检测具有原子反冲力的sub-GeVDM。相关研究论文详见：Shao-Feng Ge, Jianglai Liu, Qiang Yuan, Ning Zhou. Diurnal Effect of Sub-GeV Dark Matter Boosted by Cosmic Rays. Physical Review Letter, 2021, 126, 091804–Published 5 March 2021. DOI: 10.1103 /PhysRevLett.126.091804.

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.091804 在论文公开发表之前，研究者于2020年5月19日就已经在预印本文库网站将其公开，2021年3月9日又对其进行了修改。详见[Submitted on 19 May 2020 (v1), last revised 9 Mar 2021 ( arXiv:2005.09480v2)]。

进行此项研究的两名研究人员葛韶锋（ Shao-Feng Ge）和袁强（Qiang Yuan）告诉物理学家组织网（Phys.org）记者：“只要DM可以与原子核相互作用，空间中的高能核（宇宙射线）就可以将某些DM粒子加速为更高的能量，超过检测阈值并自然地释放出低质量。在文献中已经指出可以做到这一点。DM和宇宙射线在银河系中心（the center of the galaxy 简称GC）附近都很高。我们意识到这是密度，因此又前进了一步。”

在葛韶锋、袁强和其同事考虑的情况下，加速的DM粒子主要起源于GC方向，并提供了不同于DM正常组成部分的独特功能。基于原子反冲分析的检测技术无法揭示DM粒子来自哪个方向，但是如果GC与探测器一起位于地球的另一侧，则地球将具有大量的加速DM。有可能部分会被遮盖。

换句话说，研究人员发现，如果DM原子核的散射截面足够大，则DM通量会随着其在地球中传播而衰减。这导致自然的昼夜调制，并且可以用作加速DM的特征。

葛韶锋和袁强说：“传统的昼夜效应仅作用于我们银河系中缓慢移动的（非相对论）DM颗粒（所谓的标准DM光晕）。由于直接的实验限制或检测阈值，影响很小，可以忽略不计。另一方面，对于轻质的DM颗粒，DM-核相互作用受到的约束和强烈的昼夜调节作用要小得多，因此还是有足够空间的。”

在他们的论文中，研究人员表明，宇宙射线加速可以启用或促进对DM粒子的检测。此外，他们认为他们描述的独特的昼夜调制行为是定向的，并具有较高的能量通量。

参与这项研究的两名研究人员周宁（Ning Zhou）和刘江来（Jianglai Liu）告诉物理学家组织网（Phys.org）记者说：“我们研究中提出的昼夜调制的特征，可能是宇宙射线增强的暗物质探测烟雾呼吸枪，但这是放射性杂质的主要背景。不是。原子反冲的能谱还显示出每日的调制，这可能是抑制潜在背景的另一种手段。”

值得注意的是，这项研究发现了与宇宙射线增强的DM相关的新特征。未来，研究小组和其他小组将分析过去、正在进行和将来的地下DM实验收集的数据，以搜索独特的昼夜调制特征，特别是在最近的论文中强调了这一特征，很有可能。

周宁和葛韶锋表示：“我们现在将鼓励世界各地的实验人员在他们的数据中仔细搜索此签名。” “从更理论上讲，在我们的论文中，地球的衰变模型是用将改善的简化模型来处理的，以及是否存在多个地下实验的理想组合，需要尝试确定，以检测结果为准。”上述介绍仅供参考，更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

We point out a new type of diurnal effect for the cosmic ray boosted dark matter (DM). The DM-nucleon interactions not only allow the direct detection of DM with nuclear recoils but also allow cosmic rays to scatter with and boost the nonrelativistic DM to higher energies. If the DM-nuclei scattering cross sections are sufficiently large, the DM flux is attenuated as it propagates through the Earth, leading to a strong diurnal modulation. This diurnal modulation provides another prominent signature for the direct detection of boosted sub-GeV DM, in addition to signals with higher recoil energy.