我院特任教授林箐团队在PandaX-4T实验首次观测到太阳硼8中微子与氙原子核相干散射的迹象中做出重要贡献 [2024-11-08]

 近日，我院特任教授林箐团队与上海交通大学合作团队，在中国科大参与的PandaX-4T实验中（“熊猫”四吨级液氙实验），利用总曝光时间为259天的数据，以2.64𝜎的置信度首次观测到太阳中微子和原子核相干弹性散射的迹象，表明液氙暗物质探测器已经到达了里程碑的灵敏度，也验证了利用相干弹性散射探测低能中微子这一新方式的可行性。研究成果以First indication of solar 8B neutrinos through coherent elastic neutrino-nucleus scattering in PandaX-4T为题，发表于11月7日的《物理评论快报》（PRL）上，并被选为“专题评论报道”。

图1:位于锦屏地下实验室二期B2实验厅的 PandaX-4T实验

中微子相干弹性散射与暗物质直接探测在历史上一直有趣地交织在一起。1973年在欧洲核子研究中心的实验物理学家们利用一个巨型气泡室成功探测到了中微子的一种全新弱相互作用类型，被称为“中性流”过程。翌年，纽约大学石溪分校的Freedman教授就指出，如果中微子波长与原子核尺寸相当的情况下，会发生一种类似于X射线晶体衍射的反应：中微子与原子核中所有核子发生相干的中性流弱相互作用，反应截面呈中子数平方倍增强，此种反应被称为中微子-原子核相干弹性散射（Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering，或CE𝜈NS）。此后十多年，粒子物理标准模型的拼图逐渐被完善；1983年中性流弱相互作用的传播子Z玻色子被哈佛大学的Rubbia的UA1实验发现，第二年Rubbia就获得了诺贝尔物理学奖。但是CE𝜈NS过程仍然未被实验观察到。1984年，德国马普所的Drukier和Stodolsky指出，由于CE𝜈NS造成的原子核反冲能量在keV量级，实验的挑战在于显著降低探测器的能量阈值和本底水平。这个想法很快被普林斯顿大学的Goodman和Witten“借用了”，因为这样的探测器正是适合探测理论预言中的冷暗物质粒子与原子核发生的散射，从此拉开了近40年多的暗物质直接探测的浪潮！40年间，暗物质探测灵敏度不断被刷新，但至今还未寻找到暗物质的确凿证据。时间快进到2017年，倒是CE𝜈NS有了第一个实验突破！美国的COHERENT实验利用橡树岭国家实验室质子加速器打靶产生的中微子，首次探测到了CE𝜈NS过程。同时，随着暗物质直接探测实验灵敏度的不断提升，人们预测在不远的未来，太阳以及大气中微子在探测器中产生的CE𝜈NS事例将能够被观察到，这些事件有时也被称为“中微子雾霾”，因为暗物质信号可能会同这些“雾霾”混在一起；另一个角度看，暗物质直接探测到达这样的灵敏度，也自然成为了一个强有力的中微子探测器，从一个全新的角度研究中微子相互作用的规律。

PandaX-4T探测器是一个总质量为3.7吨的二相型氙时间投影室，置于2400米岩石下的中国锦屏地下实验室；其主要科学目标为暗物质直接探测以及通过无中微子双贝塔衰变搜寻马约拉纳中微子。在PandaX-4T实验试运行95天数据（Run0）和首批物理运行164天数据（Run1）上，分析团队针对太阳硼-8中微子CE𝜈NS信号，优化两组数据选择条件（光信号和电离信号配对事例，以及无配对单独电离信号事例），成功将核反冲能量探测阈值降低大约一个数量级至0.33keV。面对低阈值数据中的大量非物理信号本底，分析团队从大统计量数据出发精确构建了这些本底的可靠模型，并采用机器学习、多维度拟合等算法，排除了绝大多数本底，大幅度提升了信噪比。该分析的另一个难点是低能量信号在氙探测器中的光电产额目前国际上尚无精确的响应模型。分析团队通过联合拟合配对信号事例和单独电离信号事例这两个互补的数据样本，利用数据来有效控制信号响应模型的误差。

图2:PandaX-4T采集的数据在能量和信号宽度的两维分布，粉红色为拟合的太阳硼8中微子超出信号

最终拟合显示数据中存在本底以上的超出，超出部分的特征分布符合太阳硼-8中微子CE𝜈NS信号。在PandaX-4T大约1吨-年曝光量数据中，太阳硼-8中微子信号最佳拟合值为78.5个事例（包含3.5个配对事例和75个单独电离事例），信号显著度为2.64𝜎，即数据中不存在太阳硼-8中微子信号的可能性仅为0.4%。PandaX-4T对太阳硼-8中微子流强的测量值8.4+/-3.1 x 106 cm-2s-1，和标准太阳模型预期符合。这是国际上首次观测到太阳中微子和原子核相干弹性散射的迹象。

PandaX的初步实验结果首先在2024年7月9日意大利的第十五届国际暗物质大会上公布（15th International Workshop on the Identification of Dark Matter 2024）。两天后在同一会议上，另一个位于意大利的XENONnT国际合作组也发布了结果，在数据中也看到了类似显著度的超出迹象，两个实验的超出均和太阳硼8中微子的CEvNS预期吻合。PandaX的论文于7月17日投稿至PRL，并通过通讯评审于9月11日获得了期刊的正式接受；XENONnT合作的论文于8月4日提交至PRL，并于9月25日被接受。两篇论文11月7日在PRL的同一期在线发表。

观测到“太阳中微子雾霾”的迹象是暗物质直接探测的一个重要里程碑事件。除了暗物质探测以外，该结果也说明未来液氙探测器将能实现对超新星等各类天体中微子的有效探测，开展独特的粒子物理和天体物理研究，甚至在核安全核监测等应用方向也未来可期。PandaX-4T实验还将继续运行至2025年秋天，合作组采用了一系列新手段降低本底，数据量也将在目前基础提升两倍。随后，PandaX实验将开始向下一个阶段实验的升级工作，开展更加灵敏的暗物质和中微子研究工作。

图3: PandaX数据通过CE𝜈NS对于太阳硼8中微子流强测量，红色为本文结果，XENON1T和PandaX-4T（2023）结果均为之前的中微子流强上限

PandaX-4T太阳硼-8中微子分析团队由我院特任教授林箐、上海交通大学李政道研究所和物理与天文学院特聘教授周宁、上海交通大学物理与天文学院副教授孟月领导。PandaX实验得到了教育部、科技部、上海市、四川省及上海交大的大力支持，是国家自然科学基金委和上海市科学技术委员会立项的重大项目。PandaX实验的合作单位包括中国科学技术大学、山东大学、北京大学、中山大学、北京航空航天大学、南开大学、复旦大学、成都理工大学以及雅砻江流域水电开发有限公司等，共有90多位科研工作者参与，美国、法国、西班牙、泰国部分科研单位也参与国际合作。PandaX实验得到了中国锦屏地下实验室的长期支持，该实验室由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同建设、管理。PandaX项目和人才还得到了香港鸿文基金会、腾讯基金会、新基石科学基金会和阳阳发展基金的资助。