Solar Capture Tests of Inelastic Dark Matter after the LZ High-Recoil Event
本文表明，虽然太阳捕获约束明确排除了近期 LZ 高反冲事件中的热希格斯诺（Higgsino）解释，但它们并未普遍排除其他吸热暗物质模型，例如热伪狄拉克费米子或亲中子自旋相关散射，这些模型尽管显著低于目前的 IceCube 限制，但仍然具有可行性。
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宇宙中的大部分物质是看不见的。它们不发光，不反射光，也不以任何我们能轻易检测到的方式与构成我们世界的原子发生相互作用。天文学家称这种物质为暗物质。虽然我们知道它的存在，因为它的引力将星系维系在一起，但我们从未见过哪怕一个这样的粒子。几十年来，科学家们通过建造深埋地下的巨型探测器来寻找这些粒子，希望能捕捉到暗物质粒子撞击液氙罐中原子的瞬间。最近，其中一个实验——LUX-ZEPLIN 探测器——报告了一个令人困惑的单一事件。罐中的一个重原子似乎受到了比任何标准暗物质理论所预言的都要高的能量撞击。这单次的能量闪烁引发了一波新的理论浪潮，表明暗物质可能不是一种简单的、静态的粒子，而是一种更复杂的、在撞击原子时会改变其内部状态的存在。
一支研究团队现在对这一神秘事件进行了更深入的研究，提出了一个关键问题：如果这个奇怪的信号确实是由一种新型暗物质引起的，那么我们是否已经观察到了同一种暗物质被困在我们太阳内部所产生的后果？太阳扮演着一个巨大的引力陷阱。当来自银河系的暗物质粒子漂过时，太阳巨大的引力会将它们拉入其中。如果它们与太阳核心的致密物质发生碰撞，就可能损失足够的速度从而被捕获，在恒星内部绕行数十亿年。随着时间的推移，这些被捕获的粒子应该会彼此碰撞并湮灭，释放出大量的高能中微子，直接穿过空间抵达地球。通过计算太阳应该捕获了多少暗物质粒子以及它们应该产生多少中微子，研究人员测试了这些解释地下事件的新理论是否能在这种“太阳测试”中幸存下来。
该研究重点关注了关于这种暗物质可能为何物的三种特定设想。第一种设想涉及一种被称为“热希格斯诺”（thermal Higgsino）的粒子，这是一种物理学家长期预期会存在的重质量稳定粒子。第二种设想认为暗物质是一种“伪狄拉克”（pseudo-Dirac）费米子，这种粒子存在于两种略微不同的能量状态中，并在相互作用时进行切换。第三种设想提出了一种专门与中子自旋发生相互作用的粒子，这一特性使其在太阳的致密环境中表现得与在地球上的氙罐中截然不同。研究人员建立了详细的计算机模型，模拟这三种候选粒子在被太阳捕获时的行为，并考虑了太阳核心的极端高温和高密度，这些因素实际上可以帮助粒子克服在寒冷的地下探测器中会阻碍其运动的能量壁垒。
结果对第一种候选粒子具有决定性意义。热希格斯诺虽然完美契合了那次地下事件，但研究发现，如果它也存在于宇宙历史所需的量级中，那么它就是不可能存在的。研究人员计算出，如果这种粒子是真实的，太阳会捕获如此多的这类粒子，以至于它们会发生湮灭并产生大规模的中微子爆发。然而，位于南极洲、专门监测此类信号的 IceCube 中微子天文台却并未观测到任何信号。预测的信号强度远高于实际观测值。该研究得出结论：解释地下事件的热希格斯诺理论已被有效排除；太阳早就该将其暴露无遗了。
然而，另外两种设想则讲述了不同的故事。对于伪狄拉克粒子和专注于中子的粒子，情况要微妙得多。在这些模型中，太阳内部的暗物质粒子陷入了一种复杂的能量状态之舞。它们可以被碰撞激发到更高的能量水平，也可以跌落回较低的水平。研究人员发现，对于这些特定类型的粒子，它们湮灭并产生中微子的过程受到了严重抑制。尽管太阳捕获了大量的这类粒子，但其内部机制阻止了它们形成产生可探测中微子信号所需的致密、高温的核心。预测的中微子数量仍远低于 IceCube 天文台设定的限值。
这意味着，虽然太阳扮演了一个强大的过滤器，排除了最简单且最具预测性的新暗物质理论版本，但它并未关闭通往更复杂可能性的大门。研究表明，那个在地下观察到的奇怪事件仍有可能由这些更奇异形式的暗物质引起，前提是它们具有特定的内部结构，使其能够不让太阳“亮起来”。研究人员并没有发现新的发现，但他们进行了一次严密的压力测试，证明了宇宙与某些新想法是一致的，同时也坚决拒绝了另一些想法。对暗物质的搜寻仍在继续，而现在的指引是：如果答案在于一种复杂的、不断变化的粒子，那么太阳就是一个让这种粒子得以隐匿于视线之外的地方。
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