【儀表網 研發快訊】近日,上海交通大學牽頭的PandaX-4T實驗(“熊貓”四噸級液氙實驗)利用總曝光時間為259天的數據，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，表明液氙暗物質探測器已經到達了里程碑的靈敏度，也驗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，發表于11月7日的《物理評論快報》(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)”為題發表了在線報道。
 

圖1: 位于錦屏地下實驗室二期B2實驗廳的 PandaX-4T實驗
 

　　中微子相干彈性散射與暗物質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驗物理學家們利用一個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的情況下，會發生一種類似于X射線晶體衍射的反應:中微子與原子核中所有核子發生相于的中性流弱相互作用，反應截面呈中子數平方倍增強，此種反應被稱為中微子-原子核相干彈性散射(Coherent Elastic Neutrino-NucleusScattering，或CEVNS)。此后十多年，粒子物理標準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玻色子被哈佛大學的Rubbia的UA1實驗發現，第二年Rubbia就獲得了諾貝爾物理學獎。但是CEvNS過程仍然未被實驗觀察到。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，實驗的挑戰在于顯著降低探測器的能量閾值和本底水平。這個想法很快被普林斯頓大學的Goodman和Witten“借用了”，因為這樣的探測器正是適合探測理論預言中的冷暗物質粒子與原子核發生的散射，從此拉開了近40年多的暗物質直接探測的浪潮!40年間，暗物質探測靈敏度不斷被刷新，但至今還未尋找到暗物質的確鑿證據。時間快進到2017年，倒是CEVNS有了第一個實驗突破!美國的COHERENT實驗利用橡樹嶺國家實驗室質子加速器打靶產生的中微子，首次探測到了CEvNS過程。同時，隨著暗物質直接探測實驗靈敏度的不斷提升，人們預測在不遠的未來，太陽以及大氣中微子在探測器中產生的CEVNS事例將能夠被觀察到，這些事件有時也被稱為“中微子霧霾”，因為暗物質信號可能會同這些“霧霾”混在一起;另一個角度看，暗物質直接探測到達這樣的靈敏度，也自然成為了一個強有力的中微子探測器，從一個全新的角度研究中微子相互作用的規律。
 

　　PandaX-4T探測器是一個總質量為3.7噸的二相型氙時間投影室，置于2400米巖石下的中國錦屏地下實驗室;其主要科學目標為暗物質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實驗試運行95天數據(Run0)和首批物理運行164天數據(Run1)上，分析團隊針對太陽硼-8中微子CEVNS信號，優化兩組數據選擇條件(光信號和電離信號配對事例，以及無配對單獨電離信號事例)，成功將核反沖能量探測值降低大約一個數量級至0.33keV。面對低閾值數據中的大量非物理信號本底，分析團隊從大統計量數據出發精確構建了這些本底的可靠模型，并采用機器學習、多維度擬合等算法，排除了絕大多數本底，大幅度提升了信噪比。該分析的另一個難點是低能量信號在氙探測器中的光電產額目前國際上尚無精確的響應模型。分析團隊通過聯合擬合配對信號事例和單獨電離信號事例這兩個互補的數據樣本，利用數據來有效控制信號響應模型的誤差。
 

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

　　最終擬合顯示數據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。在PandaX-4T大約1噸-年曝光量數據中，太陽硼-8中微子信號最佳擬合值為78.5個事例(包含3.5個配對事例和75個單獨電離事例)，信號顯著度為2.640，即數據中不存在太陽硼-8中微子信號的可能性僅為0.4%。PandaX-4T對太陽硼-8中微子流強的測量值8.4+/-3.1x10'cms”，和標準太陽模型預期符合。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的初步實驗結果首先在2024年7月9日意大利的第十五屆國際暗物質大會上公布(15th International Workshop on the ldentification of Dark Matter 2024)。兩天后在同一會議上，另一個位于意大利的XENONnT國際合作組也發布了結果，在數據中也看到了類似顯著度的超出跡象，兩個實驗的超出均和太陽硼8中微子的CEVNS預期吻合。PandaX的論文于7月17日投稿至PRL，并通過通訊評審于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的同一期在線發表。
 

　　觀測到“太陽中微子霧霾”的跡象是暗物質直接探測的一個重要里程碑事件。除了暗物質探測以外，該結果也說明未來液氙探測器將能實現對超新星等各類天體中微子的有效探測，開展獨特的粒子物理和天體物理研究，甚至在核安全核監測等應用方向也未來可期。PandaX-4T實驗還將繼續運行至2025年秋天，合作組采用了一系列新手段降低本底，數據量也將在目前基礎提升兩倍。隨后，PandaX實驗將開始向下一個階段實驗的升級工作，開展更加靈敏的暗物質和中微子研究工作。
 

　　圖3:PandaX數據通過CEVNS對于太陽硼8中微子流強測量，紅色為本文結果，XENON1T和PandaX-4T (2023)結果均為之前的中微子流強上限。
 

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

　　PandaX實驗得到了教育部、科技部、上海市、四川省及上海交大的大力支持，是國家自然科學基金委和上海市科學技術委員會立項的重大項目。PandaX實驗的合作單位包括山東大學、北京大學、中國科學技術大學、中山大學、北京航空航天大學、南開大學、復旦大學、成都理工大學以及雅礱江流域水電開發有限公司等，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實驗得到了中國錦屏地下實驗室的長期支持，該實驗室由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司共同建設、管理。PandaX項目和人才還得到了香港鴻文基金會、騰訊基金會、新基石科學基金會和陽陽發展基金的資助。