【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日,上海交通大學(xué)牽頭的PandaX-4T實(shí)驗(yàn)(“熊貓”四噸級(jí)液氙實(shí)驗(yàn))利用總曝光時(shí)間為259天的數(shù)據(jù)，以2.64σ的置信度首次觀測到太陽中微子和原子核相干彈性散射的跡象，表明液氙暗物質(zhì)探測器已經(jīng)到達(dá)了里程碑的靈敏度，也驗(yàn)證了利用相干彈性散射探測低能中微子這一新方式的可行性。研究成果以"First indication of solarsB neutrinos through coherent elastic neutrino-nucleus scattering in PandaX-4T"為題，發(fā)表于11月7日的《物理評(píng)論快報(bào)》(PRL)上，并被選為“編輯推薦”。PRL也以“中微子迷霧的第一瞥(First Glimpses ofthe Neutrino fog)”為題發(fā)表了在線報(bào)道。
 

圖1: 位于錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期B2實(shí)驗(yàn)廳的 PandaX-4T實(shí)驗(yàn)
 

　　中微子相干彈性散射與暗物質(zhì)直接探測在歷史上一直有趣地交織在一起。1973年在歐洲核子研究中心的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們利用一個(gè)巨型氣泡室成功探測到了中微子的一種全新弱相互作用類型，被稱為“中性流”過程。翌年，紐約大學(xué)石溪分校的Freedman教授就指出，如果中微子波長與原子核尺寸相當(dāng)?shù)那闆r下，會(huì)發(fā)生一種類似于X射線晶體衍射的反應(yīng):中微子與原子核中所有核子發(fā)生相于的中性流弱相互作用，反應(yīng)截面呈中子數(shù)平方倍增強(qiáng)，此種反應(yīng)被稱為中微子-原子核相干彈性散射(Coherent Elastic Neutrino-NucleusScattering，或CEVNS)。此后十多年，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的拼圖逐漸被完善;1983年中性流弱相互作用的傳播子Z玻色子被哈佛大學(xué)的Rubbia的UA1實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第二年Rubbia就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是CEvNS過程仍然未被實(shí)驗(yàn)觀察到。1984年，德國馬普所的Drukier和Stodolsky指出，由于CEVNS造成的原子核反沖能量在keV量級(jí)，實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)在于顯著降低探測器的能量閾值和本底水平。這個(gè)想法很快被普林斯頓大學(xué)的Goodman和Witten“借用了”，因?yàn)檫@樣的探測器正是適合探測理論預(yù)言中的冷暗物質(zhì)粒子與原子核發(fā)生的散射，從此拉開了近40年多的暗物質(zhì)直接探測的浪潮!40年間，暗物質(zhì)探測靈敏度不斷被刷新，但至今還未尋找到暗物質(zhì)的確鑿證據(jù)。時(shí)間快進(jìn)到2017年，倒是CEVNS有了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)突破!美國的COHERENT實(shí)驗(yàn)利用橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室質(zhì)子加速器打靶產(chǎn)生的中微子，首次探測到了CEvNS過程。同時(shí)，隨著暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)靈敏度的不斷提升，人們預(yù)測在不遠(yuǎn)的未來，太陽以及大氣中微子在探測器中產(chǎn)生的CEVNS事例將能夠被觀察到，這些事件有時(shí)也被稱為“中微子霧霾”，因?yàn)榘滴镔|(zhì)信號(hào)可能會(huì)同這些“霧霾”混在一起;另一個(gè)角度看，暗物質(zhì)直接探測到達(dá)這樣的靈敏度，也自然成為了一個(gè)強(qiáng)有力的中微子探測器，從一個(gè)全新的角度研究中微子相互作用的規(guī)律。
 

　　PandaX-4T探測器是一個(gè)總質(zhì)量為3.7噸的二相型氙時(shí)間投影室，置于2400米巖石下的中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室;其主要科學(xué)目標(biāo)為暗物質(zhì)直接探測以及通過無中微子雙貝塔衰變搜尋馬約拉納中微子。在PandaX-4T實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行95天數(shù)據(jù)(Run0)和首批物理運(yùn)行164天數(shù)據(jù)(Run1)上，分析團(tuán)隊(duì)針對(duì)太陽硼-8中微子CEVNS信號(hào)，優(yōu)化兩組數(shù)據(jù)選擇條件(光信號(hào)和電離信號(hào)配對(duì)事例，以及無配對(duì)單獨(dú)電離信號(hào)事例)，成功將核反沖能量探測值降低大約一個(gè)數(shù)量級(jí)至0.33keV。面對(duì)低閾值數(shù)據(jù)中的大量非物理信號(hào)本底，分析團(tuán)隊(duì)從大統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)出發(fā)精確構(gòu)建了這些本底的可靠模型，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)、多維度擬合等算法，排除了絕大多數(shù)本底，大幅度提升了信噪比。該分析的另一個(gè)難點(diǎn)是低能量信號(hào)在氙探測器中的光電產(chǎn)額目前國際上尚無精確的響應(yīng)模型。分析團(tuán)隊(duì)通過聯(lián)合擬合配對(duì)信號(hào)事例和單獨(dú)電離信號(hào)事例這兩個(gè)互補(bǔ)的數(shù)據(jù)樣本，利用數(shù)據(jù)來有效控制信號(hào)響應(yīng)模型的誤差。
 

　　圖2:PandaX-4T采集的數(shù)據(jù)在能量和信號(hào)寬度的兩維分布，粉紅色為擬合的太陽硼8中微子超出信號(hào)。
 

　　最終擬合顯示數(shù)據(jù)中存在本底以上的超出，超出部分的特征分布符合太陽硼-8中微子CE1NS信號(hào)。在PandaX-4T大約1噸-年曝光量數(shù)據(jù)中，太陽硼-8中微子信號(hào)最佳擬合值為78.5個(gè)事例(包含3.5個(gè)配對(duì)事例和75個(gè)單獨(dú)電離事例)，信號(hào)顯著度為2.640，即數(shù)據(jù)中不存在太陽硼-8中微子信號(hào)的可能性僅為0.4%。PandaX-4T對(duì)太陽硼-8中微子流強(qiáng)的測量值8.4+/-3.1x10'cms”，和標(biāo)準(zhǔn)太陽模型預(yù)期符合。這是國際上首次觀測到太陽中微子和原子核相干彈性散射的跡象。
 

　　PandaX的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果首先在2024年7月9日意大利的第十五屆國際暗物質(zhì)大會(huì)上公布(15th International Workshop on the ldentification of Dark Matter 2024)。兩天后在同一會(huì)議上，另一個(gè)位于意大利的XENONnT國際合作組也發(fā)布了結(jié)果，在數(shù)據(jù)中也看到了類似顯著度的超出跡象，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的超出均和太陽硼8中微子的CEVNS預(yù)期吻合。PandaX的論文于7月17日投稿至PRL，并通過通訊評(píng)審于9月11日獲得了期刊的正式接受;XENONnT合作的論文于8月4日提交至PRL，并于9月25日被接受。兩論文11月7日在PRL的同一期在線發(fā)表。
 

　　觀測到“太陽中微子霧霾”的跡象是暗物質(zhì)直接探測的一個(gè)重要里程碑事件。除了暗物質(zhì)探測以外，該結(jié)果也說明未來液氙探測器將能實(shí)現(xiàn)對(duì)超新星等各類天體中微子的有效探測，開展獨(dú)特的粒子物理和天體物理研究，甚至在核安全核監(jiān)測等應(yīng)用方向也未來可期。PandaX-4T實(shí)驗(yàn)還將繼續(xù)運(yùn)行至2025年秋天，合作組采用了一系列新手段降低本底，數(shù)據(jù)量也將在目前基礎(chǔ)提升兩倍。隨后，PandaX實(shí)驗(yàn)將開始向下一個(gè)階段實(shí)驗(yàn)的升級(jí)工作，開展更加靈敏的暗物質(zhì)和中微子研究工作。
 

　　圖3:PandaX數(shù)據(jù)通過CEVNS對(duì)于太陽硼8中微子流強(qiáng)測量，紅色為本文結(jié)果，XENON1T和PandaX-4T (2023)結(jié)果均為之前的中微子流強(qiáng)上限。
 

　　PandaX-4T太陽硼-8中微子分析團(tuán)隊(duì)由上海交通大學(xué)李政道研究所和物理與天文學(xué)院特聘教授周寧、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授林箐、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院副教授孟月領(lǐng)導(dǎo)，主要研究成員包括上海交大李政道研究所博士生張敏禎、中山大學(xué)博士生李家富、上海交大物理與天文學(xué)院博士生錢志成。李政道研究所和物理與天文學(xué)院鴻文特聘教授劉江來為PandaX合作組的首席科學(xué)家。
 

　　PandaX實(shí)驗(yàn)得到了教育部、科技部、上海市、四川省及上海交大的大力支持，是國家自然科學(xué)基金委和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)立項(xiàng)的重大項(xiàng)目。PandaX實(shí)驗(yàn)的合作單位包括山東大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中山大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南開大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、成都理工大學(xué)以及雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等，共有90多位科研工作者參與，美國、法國、西班牙、泰國部分科研單位也參與國際合作。PandaX實(shí)驗(yàn)得到了中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的長期支持，該實(shí)驗(yàn)室由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司共同建設(shè)、管理。PandaX項(xiàng)目和人才還得到了香港鴻文基金會(huì)、騰訊基金會(huì)、新基石科學(xué)基金會(huì)和陽陽發(fā)展基金的資助。