Direct detection of electromagnetically interacting ultraheavy dark matter

宇宙中充满了看不见的物质，它们将星系维系在一起，然而我们从未观测到过这些物质的任何一个粒子。科学家们称之为“暗物质”，几十年来，主流理论认为它是由沉重且运动缓慢的粒子组成的，这些粒子与普通光或物质的相互作用极其微弱。然而，一个更安静的可能性一直存在：如果这种暗物质携带了微小、微弱的电荷会怎样？如果确实如此，它会与光子发生相互作用，尽管非常微弱，从而在隐藏领域与我们所居住的可见世界之间建立起一座桥梁。这种被称为“微电荷”暗物质的想法表明，根据其质量的不同，这些粒子可能轻到能穿梭于探测器之间，或者重到能直接撞穿探测器。问题仍然在于我们能否捕捉到它们，以及如果可以，在我们的现有工具无法观测到它们之前，它们的质量可能会达到多重。

一组物理学家现在绘制出了我们寻找这些难以捉摸的粒子的能力极限，特别关注了那些可以想象到的最重的候选者。他们研究了来自各种地下实验的数据，旨在捕捉暗物质，其中包括大型液氙罐、充满液氩的腔室，以及通过检测液体微小沸腾闪光来工作的气泡室。他们的目标是确定这些粒子在变得让探测器本身变得“盲目”之前，其质量可以有多重。研究人员发现，对于通过电荷进行相互作用的粒子，存在一个硬性限制，即电荷不能超过某个数值，否则会被设计用于保护实验本身的安全性系统所拒绝。这个极限，或称“天花板”，完全取决于所使用的探测器类型。

这项研究揭示了某一特定类型探测器的惊人优势：气泡室。在大多数实验中，例如使用液氙的实验，探测器极其灵敏，如果暗物质带有哪怕微小的电荷，也会产生大量的电子信号。为了避免被这些噪声淹没，这些实验会自动丢弃任何看起来像是电子相互作用的事件。因此，如果暗物质的电荷过高，它就会触发这种否决机制并被丢弃，导致实验无法观测到它。研究人员计算出，对于液氙和半导体探测器，这为它们能够搜索的暗物质电荷设定了一个严格的上界。然而，气泡室的工作方式不同。它们旨在忽略电子留下的微弱信号，而只对原子核产生的沉重、强力的撞击做出反应。由于它们没有自动拒绝电子信号的系统，因此不会受到这种相同“天花板”的影响。

这种差异使得名为 PICO-60 的气泡室实验能够探索其他探测器无法触及的广阔可能性。研究人员发现，PICO-60 可以将暗物质的电荷约束范围提高到液氙实验的两个数量级，并且可以在质量高出一个数量级的范围内做到这一点。这一发现有效地填补了一个巨大的知识空白，排除了此前未受约束的一系列重型微电荷暗物质。对于质量低于某一阈值的粒子，这一结果弥合了直接探测实验所能观测到的范围与中微子实验已经排除的范围之间的鸿沟。

研究人员还研究了暗物质与光相互作用的其他方式，例如具有磁偶极矩、电偶极矩或被称为电荷半径的特定内部尺寸。对于这些类型的相互作用，“天花板”问题并不存在，因为它们产生的信号不会像那样淹没探测器。团队也计算了这些情景下的极限，将暗物质质量的已知约束范围扩展到了 10^17 GeV。这是一个极其高的质量，远超当前粒子对撞机所能产生的范围，推向了我们所知的最重暗物质候选者的边界。

展望未来，该研究概述了未来的、规模更大的探测器将能实现的目标。计划在未来几年进行的实验，如多吨级的 DarkSide-20k 和 DARWIN，将能够探测到更深层的参数空间。研究人员建议，通过改进这些探测器分析数据的方式，特别是通过调整关于什么属于背景信号的规则，目前的微电荷暗物质极限可以被进一步推高。虽然地壳和大气层可能会阻挡一些这类重粒子到达地下实验室，但计算表明，对于最重的候选者而言，这种影响可以忽略不计。这项工作为目前寻找最重的、带有微弱电荷的暗物质的研究提供了清晰的路线图，并指明了未来的方向。