8月26日，清华大学牵头的中国暗物质实验（China Dark Matter Experiment，CDEX）合作组在《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, SCPMA）在线发表题为《通过CDEX-10实验中的电子散射搜寻来自蒸发型原初黑洞的暗物质粒子》（Probing dark matter particles from evaporating primordial black holes via electron scattering in the CDEX-10 experiment）的研究论文，于2024年第67卷第10期刊出，并被选为封面文章（图1）。
图1 SCPMA本期封面
论文报告了基于CDEX-10实验205.4公斤天低本底曝光数据的原初黑洞（PBH）蒸发暗物质（DM）粒子与电子（e）散射（PBHeDM-e）搜寻结果：PBH质量区间在1E15克至7E16克时，未发现PBHeDM-e事例的确切信号，并给出了90%置信度的PBHeDM物理参数排除区间；如图2所示，PBHeDM质量小于0.1 keV时，与电子的散射截面下限大致不大于5E-29 cm2。凭借较低的能量阈值（160eV），CDEX-10的搜寻结果填补了参数空间的部分空白。
图2 PBHeDM-e物理参数排除区间（90%置信度）（左）及数值投影（右）
1933年瑞士天文学家兹威基（Fritz Zwicky）测量了后发星系团星（Coma Cluster）系的径向速度，发现轨道速度比预期大10 倍，星系团中必须含有额外的500倍质量的不发光物质才足以维系星系团的聚集。这个测量结果被认为是发现暗物质（DM）存在的早期证据。在此之后，更多星系的旋转曲线、引力透镜、子弹星云和宇宙微波背景辐射等天文观测进一步地显示了DM的存在，DM占据了整个宇宙质能的26%，而常规的物质只占了不到5%，剩余的69%则是更为神秘的暗能量。
2009年清华大学牵头开始在中国锦屏地下实验室（China Jinping Underground Laboratory，CJPL）开展基于高纯锗探测器的DM直接探测实验，现已成功运行两代探测器CDEX-1和CDEX-10并取得了一系列重要成果。CDEX合作组现已拥有13家成员单位，正在准备更大规模的百公斤级高纯锗阵列实验。
DM根据其产生的时间可分为热产生（Thermally-Produced）和非热产生（Nonthermally-Produced）DM，前者是在早期宇宙热平衡时残留下来的；后者则是在早期宇宙中已存在的母体衰变（Decay）产生的。而冷（Cold）和热（Hot）DM则是根据其速度来区分的，非相对论粒子划分为冷DM；相对论粒子归类为热DM。这两种分类之间无直接关联。
包括CDEX在内的深地DM直接探测实验主要关注的是热产生冷DM粒子，比如最为热门的大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）。经过几代技术的迭代，实验逐渐将WIMP可能的参数物理空间压缩至中微子“地板”。研究人员开始更多地关注宇宙射线加速的暗物质（热暗物质）、非热产生的暗物质等新颖的物理图景。
PBH作为暗物质的候选者之一，可能在宇宙大爆炸暴涨期由于局部密度涨落塌缩而形成。其中质量小于1E17克量级的黑洞在理论上有可观测霍金辐射，而且质量越小的黑洞蒸发越剧烈。质量如此之小的黑洞不可能是恒星死亡之后形成的黑洞而应该是PBH。哈雷彗星的质量约为1E18克；但作为致密天体，质量为5E14克的PBH史瓦西半径与中子半径相当。研究人员通过捕捉PBH所蒸发出来的光子、中微子等标准模型粒子来搜寻PBH，并对质量在1E17克及以下量级的PBH给出了有效的限制。PBHeDM作为一种新颖的非热产生的源项，在近几年逐渐得到学界的密切关注。而且在这个物理图景中，暗区（Dark Sector）与粒子标准模型之间的衔接只有引力相互作用。
按PBH所处的空间位置将宇宙划分为银河系内和外两大部分。源于银河系外的PBHeDM需要考虑宇宙学红移效应。朝地球飞来的PBHeDM穿过锦屏山到达CDEX-10高纯锗探测器，以一定的概率（以截面来表征）与锗原子的核外电子发生散射。当散射中转移的能量满足一些特定的条件时，高纯锗探测器将把此次散射信号记录下来。
论文的分析发现，包括CDEX在内的深地DM直接探测实验与地基或者天基实验相比，同时拥有低辐射本底和低能量阈值的优势，在较大PBH质量时有较强的PBHeDM-e搜寻能力。在未来确定暗物质粒子的物理性质后，DM直接探测实验有望给出对大质量蒸发型PBH丰度的严格约束。
该研究工作得到了国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项、国家自然科学基金等项目资助，以及清华大学暗物质实验平台经费支持。
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https://doi.org/10.1007/s11433-024-2446-2
