Solar Spin-Dependent Dark Matter-Neutron Cross Section Constraints: The Lost Case
本文首次计算了自旋相关暗物质-中子散射的太阳捕获与蒸发率，证明了由此产生的对湮灭通道的限制可以超越直接探测极限，并且在具有长寿命媒介子的模型中，能够探测到中微子雾以下的区域。
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几十年来，物理学家一直在寻找一个幽灵。这个幽灵就是暗物质，一种构成了宇宙大部分质量，却以我们能轻易观察到的任何方式与光或普通物质发生相互作用的物质。我们知道它的存在，是因为它的引力将星系维系在一起，然而它对我们的望远镜而言依然是隐形的。为了寻找它，科学家们在深层地下建造了巨大的探测器，等待着暗物质粒子撞击其设备中的原子。但还有另一种寻找这种不可见物质的方法：通过观测太阳。太阳扮演着一个巨大的、天然的陷阱。随着星系的旋转，暗物质粒子穿梭于空间，其中一些恰好撞上了太阳的核心。如果撞击力度足够大，它们就会失去速度，并被太阳的引力捕获，向中心沉降。在数十亿年的时间里，这些被捕获的粒子可以堆积起来，彼此碰撞，并在一场可能从地球上探测到的能量爆发中消失。
长期以来，研究人员一直专注于暗物质如何撞击太阳内部的质子或电子，或者它如何以一种不依赖于粒子自旋的方式与中子发生散射。然而，这个谜题中还缺少了一块拼图。科学家们在很大程度上忽略了一种特定的情景，即暗物质与太阳内部中子的自旋发生相互作用。这种相互作用至关重要，因为在地球上的实验中，它是捕捉此类暗物质最有效的方法之一。之所以太阳的情况被忽视，是因为太阳主要由氢和氦组成，它们并不具备能够捕捉这种特定类型暗物质所需的自旋中子。太阳中唯一能捕捉它的原子是稀有的、具有奇数中子的同位素，如氦-3、碳-13和氧-17。这些原子在太阳中仅以微量形式存在，就像广袤沙漠中的几粒沙子。由于它们如此稀缺，许多科学家曾认为太阳作为探测器对于这种相互作用而言太弱，无法提供有用的信息。
一组研究人员现在挑战了这一假设，证明了太阳对于这类搜索并非毫无希望。他们对暗物质如何在太阳核心内的这些稀有奇数中子原子上进行散射进行了详细的计算。他们考虑了太阳如何捕获这些粒子，它们如何可能通过弹跳获得能量，以及如果它们变得过热，最终如何逃逸回太空。他们的工作表明，虽然捕获率确实比其他类型的相互作用要低得多——大约比与质子的相互作用弱1万到10万倍——但它并非为零。事实上，对于质量在1亿电子伏特到几十亿电子伏特之间的暗物质粒子，太阳仍然能够捕获足够数量的粒子，从而产生信号。
随后，研究人员观察了这些被捕获粒子湮灭时会发生什么。如果它们碰撞并相互毁灭，它们应该产生高能中微子或伽马射线。该团队将他们的预测与世界上一些最强大的望远镜数据进行了对比，包括中微子探测器如Super-Kamiokande和IceCube，以及伽马射线天文台如Fermi-LAT和HAWC。他们发现，对于某些类型的暗物质，通过这些太阳观测所设定的限制实际上比地球上地下探测器的最佳限制还要强。具体而言，对于湮灭成中微子或湮灭成随后衰变为伽马射线的长寿命粒子的暗物质，太阳可以排除掉地面实验目前尚无法触及的相互作用强度。
或许最显著的是，这项研究为一类难以探索的质量范围打开了一扇窗。对于质量小于约20亿电子伏特的暗物质粒子，太阳自身的热量会将它们“煮”走，这是一个被称为“蒸发”的过程。然而，研究人员发现，对于他们研究的特定相互作用，如果相互作用足够强，太阳仍然可以留住这些较轻的粒子。这使得他们能够对低至1亿电子伏特的暗物质质量设定约束，而在这个区域，许多地下实验会失去其灵敏度。此外，在某些情景下，太阳的约束甚至低于一个被称为“中微子迷雾”（neutrino fog）的理论极限，这种背景中微子来自太阳，使得地球探测器极难将暗物质信号与自然噪声区分开来。
研究结论指出，太阳仍然是搜寻暗物质的有力工具，即使是对于此前被认为无法触及的、难以捉摸的自旋相关中子相互作用也是如此。通过仔细模拟太阳内部的稀有原子，并将其与数十年的观测数据进行对比，研究人员表明，这一渠道远非死路一条。他们的工作表明，利用当前的及未来的望远镜，我们可以以一种补充、甚至有时超越我们最先进地下实验室能力的方式来探测暗物质。事实证明，太阳仍在低语着关于暗宇宙的秘密，而我们终于学会了如何倾听。
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