Fermionic Dark Matter Absorption and the High-Energy Event in LUX-ZEPLIN
本文提出，LUX-ZEPLIN 观测到的高能事件可以通过氙核上的费米子暗物质吸收来解释，但结论是，这种解释与来自 KamLAND 中子发射数据的现有约束存在显著张力。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
几十年来，科学家们一直在寻找暗物质——这种占据了宇宙大部分质量却拒绝与光发生相互作用的不可见物质。多年来最流行的理论是，这种物质由沉重且移动缓慢的粒子组成，这些粒子偶尔会撞击普通原子，留下微小的、可探测的火花。深藏于地下、屏蔽了宇宙射线的实验一直在倾听这些微弱的低语。然而，随着这些探测器变得极其灵敏，它们在预期重粒子撞击的低能范围内却一无所获。这种沉默迫使研究人员转向其他领域，将搜索范围扩大到更高能量，并考虑更奇特的可能性，例如暗物质不仅仅是与原子发生碰撞，而是被原子吸收，在将全部质量转化为能量爆发的同时完全消失。
最近对位于南达科他州矿井深处的一个巨大的液态氙罐实验——LUX-ZEPLIN实验的数据分析，带出了一个新的、令人困惑的候选者。该实验记录了一个事件：罐中的一个原子发生了能量约为248千电子伏特的反冲，这一数值显著高于通常看到的背景噪声。虽然实验人员并未宣布这是一项发现，但该事件作为一个统计异常脱颖而出，亟需一个解释。来自中国南京师范大学的两名研究人员提出了一个特定的机制来解释这单一的闪光：一种类型的暗物质粒子被氙核吸收。他们指出，如果暗物质由质量约为247百万电子伏特的费米子组成，它可能会被原子核吸收，将其全部静止质量转化为一次精确的、单能的撞击。这一过程会产生一个清晰、独特的能量峰值，与观察到的事件能量完美契合。
研究人员建立了一个详细的模型来测试这一想法，展示了此类吸收事件在探测器内部的表现。他们计算出，对于这种特定质量的暗物质粒子，传递给氙原子的能量恰好落在发现该单一事件的窗口内。这种相干吸收（即暗物质同时撞击整个原子核）会产生一个干净的单能信号。然而，允许这种干净撞击的相同物理机制也预言了一个混乱的副作用。由于暗物质粒子足够重，能够分辨出原子核内部的单个质子和中子，因此吸收过程也应该频繁地踢出单个核子。这种非相干过程会产生一系列能量更高的宽谱事件，如果该模型正确，探测器中应该会出现数十个额外的信号。
团队发现，他们提出的模型确实可以重现观察到的单个事件，同时与低能范围内缺乏其他信号的情况保持一致。模型预测的非相干、高能事件预计会被实验的标准安全切断和甄别系统过滤掉，因为这些系统旨在排除高能噪声。这创造了一种情景：探测器看到了一个干净的事件，却漏掉了随之而来的数十个混乱事件。研究人员计算出，产生该单一事件所需的相互作用强度对应于一个特定的新物理尺度，约为11.5太电子伏特。这个数值足够高，既能解释该事件，又不会与空白的低能谱产生矛盾，使得该理论在乍看之下似乎是可行的。
然而，当研究人员将目光投向氙罐之外的其他实验时，故事发生了急转弯。他们将注意力转向了日本的KamLAND实验，这是一个巨大的液态闪烁体探测器，内部充满了油，旨在观测中微子。该探测器对另一种反应非常敏感：如果这些相同的暗物质粒子存在，它们也应该被探测器中的碳原子吸收，从而踢出一个中子。这一过程会产生一个明显的信号，即中子的发射，随后是中子被俘获后产生的延迟闪光。通过重新分析KamLAND的现有数据，研究人员发现，如果解释LUX-ZEPLIN事件的暗物质模型是正确的，该探测器理应观察到大量的此类中子发射事件。
重新分析揭示了一个鲜明的矛盾。KamLAND的数据并未显示出这些中子事件的证据，这为这类相互作用发生的频率设定了一个严格的上界。这一上限远低于产生LUX-ZEPLIN实验中所见单一事件所需的相互作用强度。换句话说，那个能完美解释氙事件的模型，被碳数据明确排除了。研究人员得出结论，尽管费米子暗物质吸收是一个解释高能核反冲的引人入胜的方式，但匹配LUX-ZEPLIN观测结果所需的特定参数与KamLAND的约束条件是不相容的。这两个大型探测器之间的这种张力表明，氙罐中的那个单一事件很可能不是由这种特定类型的暗物质吸收引起的，这使得该异常现象的起源仍悬而未决，并指向了需要未来专门的高能分析来解决这一谜团。
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