現代天文學觀測表明宇宙由5%的普通物質，25%的暗物質和70%的暗能量構成。暗物質的本質是當前物理學面臨的重大問題，相關研究可望帶來物理學新的革命。暗物質極有可能是一種超出標準模型的新物理粒子，實驗上通常有三種辦法來探測暗物質粒子：通過地下實驗直接探測暗物質和普通物質的微弱碰撞、通過空間高能粒子和光子探測器間接探測暗物質粒子湮滅或衰變後的產物粒子以及通過高能粒子對撞產生暗物質粒子。我國在錦屏山深地實驗室運行有PandaX和CDEX兩個直接探測實驗，也發射了“悟空”號暗物質粒子探測衛星進行間接探測。中國科研人員也在歐洲大型强子對撞機LHC上深入開展暗物質對撞探測。
圖1.三種探測暗物質粒子的原理示意圖。
國際上關於暗物質直接探測的相關實驗已開展了三十餘年，迄今為止還沒有明確觀測到暗物質和普通物質相互作用的訊號，實驗結果對暗物質和普通物質的碰撞截面給出了很强的限制。然而由於探測器的閾值所限，通常直接探測實驗只能覆蓋有限的暗物質質量區間（一般大於質子質量），對於更低質量區間的暗物質現有直接探測實驗難以有效覆蓋。近年來有學者提出彌漫於銀河系中的高能宇宙線將可以加速暗物質粒子，從而使得原本不足以在探測器中留下訊號的輕質量暗物質粒子因為變得更快而可以被探測到，顯著地拓寬了現有直接探測實驗可覆蓋的參數區間，成為近期的暗物質探測研究的熱點。
在最近發表於《物理評論快報》的一項研究中，紫金山天文臺袁强和上海交通大學葛韶鋒、劉江來、周寧等合作提出，由於銀河系中宇宙線分佈和暗物質分佈不均勻，宇宙線加速後的暗物質“流”呈現出方向上的各向異性，從銀河系中心方向來的“高速”暗物質將顯著多餘偏離銀心方向的“高速”暗物質。隨著地球的自轉，不同方向的暗物質粒子穿越地球的厚度也會呈現周日（恒星日）變化，導致暗物質粒子打到探測器上的概率產生周日變化，形成一個周日調製現象。這一效應可以有助於提高直接探測實驗在低質量區間的靈敏度，並且可以提供獨特的暗物質碰撞訊號以區分背景。現時國際上正在開展的幾個數噸級的液氙直接探測實驗將顯著地提升暗物質探測靈敏度，我們提出的這項新的效應也將成為這些實驗在低質量區間的重要目標之一。
圖2.宇宙線加速的暗物質直接探測訊號隨恒星時的變化。
該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計畫、中國科學院、上海市、江蘇省、上海交通大學和騰訊基金會等的資助。
文章連結https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.091804
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