Solar capture and annihilation of fermionic and scalar dark matter motivated by the LUX-ZEPLIN high-recoil candidate

寻找暗物质是现代物理学中最深刻的研究之一，其驱动力来自于一个压倒性的证据：宇宙中所含的质量远比我们能看到的要多。天文学家长期以来观察到，星系中的恒星运动速度过快，仅靠可见物质的引力无法将它们束缚在一起；此外，来自遥远天体的光线发生弯曲的方式，也需要通过不可见的质量来解释。这种被称为暗物质的不可见物质，被认为占宇宙所有物质的约百分之八十五，但它既不发射、不吸收也不反射光线，因此无法用传统的望远镜进行探测。相反，科学家们依赖间接方法，寻找暗物质对可见物体产生的微妙引力牵引，或者寻找深层地下探测器中暗物质粒子与原子之间发生的罕见碰撞。

其中最具有前景的策略之一是在巨大的液氙罐中寻找这些碰撞，因为暗物质粒子撞击氙原子核时会产生微小的闪光和微弱的电信号。最近，作为此类探测器中的佼佼者，LUX-ZEPLIN 实验报告了一个可能是暗物质碰撞的候选事件。这个发生在特定能量水平上的单一事件引发了广泛关注，因为它表明暗物质可能以一种需要粒子获得少量能量才能触发碰撞的方式与普通物质发生相互作用。这种被称为“内能散射”（endothermic scattering）的情景意味着，暗物质粒子存在两种形式：一种是较轻的稳定版本，另一种是稍重的激发版本。为了产生信号，暗物质粒子必须在碰撞过程中吸收能量，从而从轻态跃迁到重态。然而，这单个事件并不能告诉我们暗物质粒子究竟是什么。它可能是一种费米子（包括电子和质子在内的一类粒子），也可能是一种标量（一种行为更像场而非固体物体的不同种类的粒子）。区分这两种可能性对于理解宇宙的基本性质至关重要，但在地球上，它们在氙探测器中产生的信号几乎是完全相同的。

为了解决这个谜题，研究团队将注意力转向了太阳。他们提出了一个简单而深刻的问题：如果两种不同类型的暗物质在地球上的氙探测器中产生完全相同的信号，太阳能否将它们区分开来？太阳是一个巨大的引力陷阱，吸引着来自银河系的暗物质粒子。当这些粒子与太阳内部的原子核发生碰撞时，它们可能会损失足够的速度，从而被捕获并在太阳核周围的轨道上运行。一旦被捕获，它们会继续不断碰撞，在每次碰撞中损失更多能量，直到在中心形成一个致密且炽热的云团。最终，这些粒子彼此相遇并湮灭，释放出可以被地球上的望远镜探测到的高能中微子。研究人员意识到，虽然这些粒子的初始捕获过程看起来对于费米子和标量而言是一样的，但随后在太阳内部发生的情况可能会非常不同。

该团队构建了一个详细的模拟实验，用以比较两种特定的暗物质模型：分裂费米子双重态（split fermionic doublet）和惰性标量双重态（inert scalar doublet）。他们仔细调整了这两个模型的属性，使其在 LUX-ZEPLIN 探测器中产生相同数量的碰撞，从而在地球实验中使两者变得无法区分。随后，他们追踪了这些粒子坠入太阳的过程。关键的区别在于粒子的激发态在衰变回基态之前持续了多久。对于费米子模型，激发态极其短暂，几乎瞬间发生衰变。对于标量模型，激发态的寿命要长得多，可以存续数日。这种时间上的差异改变了太阳内部发生的整个故事。

在费米子情景中，粒子衰变得如此之快，以至于它本质上表现为一种已经失去了额外能量的单一类型粒子。它能高效地冷却并沉降到太阳核中，在那里与它的伙伴发生湮灭。在标量情景中，粒子在激发态中停留的时间要长得多。在这一延长的期间内，它更有可能与其他原子发生碰撞并获得速度，从而在有机会冷却并沉降到核中之前，就有可能逃脱太阳的引力。研究人员发现，这种细微的寿命差异导致了最终结果的显著不同。虽然两种模型都成功捕获了暗物质并达到了捕获与湮灭平衡的状态，但标量模型在核中保留的粒子数量略少。具体而言，尽管它们的初始捕获率相同，但标量暗物质的湮灭率比费米子暗物质低约百分之五到百分之八。

这一结果具有重要意义，因为它表明太阳可以作为一个过滤器，揭示出在地面探测器中被隐藏的粒子模型之间的差异。研究人员并未找到一种方法来完全排除其中任何一种模型，也没有证明其中哪一个是正确的答案。相反，他们证明了这两种模型虽然在氙罐中无法区分，但在恒星内部遵循着不同的演化路径。由于激发态寿命较长，标量粒子更容易逃离太阳，从而导致总湮灭事件数略有减少。这种差异虽然很小，但在关于银河系暗物质密度和太阳内部结构的各种假设下都是一致的。

该研究还观察了这些湮灭过程所产生的信号性质。当暗物质粒子发生湮灭时，它们通常会产生 W 或 Z 玻色子对，这些是携带弱相互作用力的重粒子。这些玻色子随后会衰变为其他粒子，包括中微子。研究人员发现，费米子模型和标量模型产生的这些玻色子具有不同的特征，例如不同的极化状态，这将导致产生的中微子具有略微不同的能量谱。当他们将预测的中微子信号与 IceCube 中微子天文台的现有数据进行比较时，发现对于特定类型的暗物质，两种模型的预测信号都强于 IceCube 目前设定的限制。然而，这种比较是在源头层面进行的，这意味着它没有考虑到中微子穿过太阳时的所有复杂情况，也没有考虑探测器对它们的响应方式。因此，这一发现尚不能构成对其中任何一种模型的确定性排除，但它强调了这两个模型会产生截然不同的中微子特征，未来的更详细的分析有可能将其区分开来。

最终，这项工作为探测暗物质的本质提供了一种新工具。它表明，即使两种理论在直接探测实验中预测了相同的信号，天体物理环境（如太阳）也能暴露它们的内在差异。研究人员并没有发现暗物质到底是什么，但他们展示了太阳如何帮助我们辨别两个非常相似的候选者。通过将地下探测器的数据与恒星演化物理学相结合，科学家可以开始缩小可能存在的广阔暗物质理论范围。这项研究证实，太阳不仅仅是寻找暗物质过程中的被动观察者，更是一个活跃的实验室，在这里，粒子物理学的微妙动力学在宏大的尺度上展开，提供了一个地面实验本身无法提供的互补视角。