PandaX实验上自相互作用暗物质的寻找

Dark matter (DM) is a dominant form of matter in the universe. But its particle nature remains to be one of the most important issues that modern science must solve. A popular view is that DM consists of weakly interacting massive particles (WIMPs), which are leading candidates in the cold dark matter (CDM) paradigm. However, decades of experimental searches have found no evidence for WIMPs. Besides, CDM model cannot explain the universe structure on galactic and subgalactic scales. These puzzles are collectively called “CDM’s small-scale crisis”. Self-interacting dark matter (SIDM) model is one leading candidate to solve these puzzles. But SIDM particles need to be confirmed by particle-physics experiments..In next five years, the sensitivity of PandaX experiment will be improved by more than one order of magnitude, due to the upgrade of the detector and more data. This provides a great new opportunity to detect SIDM particles. Therefore we propose to search for SIDM particles at the PandaX experiment. Through the study in this proposal, particularly the optimization of the data acquisition and physics analysis, we will more precisely measure the parameters of the SIDM model. These measurements will have great scientific impact for the experimental detection of SIDM particles and the theoretical development of SIDM models in the future.

暗物质是宇宙物质组成的主要部分，但是它的粒子属性仍是现代科学亟待解决的最重要的问题之一。一种流行的观点认为暗物质由弱作用重粒子（WIMP）组成，这类粒子是冷暗物质模型的主要候选者。但是几十年实验的搜寻仍未发现WIMP存在的证据。另外，冷暗物质模型在解释星系亚星系等小尺度宇宙结构中遇到了诸多困难，总称为冷暗物质模型的"小尺度危机"。一个领先的解决方案就是自相互作用暗物质（SIDM）模型。但SIDM粒子同样需要粒子物理实验的验证。.未来5年，由于探测器的升级和更多的数据，PandaX实验的灵敏度将提高一个数量级以上。这为SIDM粒子的探测提供了重要的新的机遇。因此本项目提出在PandaX实验上寻找SIDM粒子。通过本项目的研究，特别是优化数据采集和物理分析的方案，我们将更精确地测量SIDM模型的参数。这些测量对未来SIDM粒子的实验探测，以及SIDM模型的理论发展，都有重要的科学意义。

大量的天文观测显示暗物质是宇宙物质组成的主要部分，它的质量占比是普通物质的5倍以上。但是到目前为止，暗物质的粒子属性仍是未解之谜，探测和研究暗物质是现代物理实验的重要热点方向之一。一种普遍流行的观点认为暗物质是由一种被称为弱作用重粒子（WIMP）的粒子组成，这类粒子也是冷暗物质模型的主要候选者。但是最近几十年来，大量实验的搜寻（包括对撞机实验，直接探测和间接探测实验）仍未发现WIMP存在的证据。另外，冷暗物质模型在解释星系亚星系等小尺度宇宙结构中遇到了诸多困难，天文学上这些难点总称为冷暗物质模型的"小尺度危机"。一个领先的解决方案就是自相互作用暗物质（SIDM）模型。这种模型，通过引入暗物质粒子间的强的相互作用，很容易改变暗物质在星系内的分布，从而得到和观察相吻合的预测。本项目依托我国为主的PandaX暗物质实验，针对自相互作用暗物质粒子开展研究。另外，本项目进一步优化了数据采集和物理分析的方案，我们将更精确地测量或者限制SIDM模型的参数。这些研究对未来SIDM粒子的实验探测，以及SIDM模型的理论发展，都有重要的科学意义。..依托PandaX暗物质实验第二期的全部暗物质曝光量的数据，我们发表了对自相互作用暗物质的最新探测结果。（Sci.China Phys. Mech. Astron. 64 (2021) 11) 。我们在 40GeV 以下暗物质质量区间，对 10MeV量级及以下的传播子，给出了迄今为止最严格的暗物质核子散射截面的限制。另外，我们首次将宇宙早期轻元素丰度对传播子寿命的限制和 PandaX 暗物质直接探测联合起来。研究表明，直接探测、天体物理和宇宙学观测为探测暗物质的自相互作用提供了互补信息。 这也是国际上所有直接暗物质实验首次发表这样的结果，有力的提升了 PandaX 团队暗物质探测的影响力。..另外，我们在PandaX-4T实验上研制和部署了一套基于无触发的数据采集系统（JINST 17 T02004 (2022)）。和以往的 PandaX 实验相比，“无触发” 完全避免了外部触发对物理事例采集效率的不利影响，这将进一步提升 PandaX 暗物质实验对自相互作用暗物质以及轻质量暗物质的探测水平。