7月10日，在意大利拉奎拉举行的国际暗物质大会(IDM)上，XENON合作组发布了首次测量到太阳中微子的低能核反冲信号的结果。这些中微子来自太阳内部的核反应，即涉及硼元素的反应链。

图一 XENONnT测量太阳硼-8中微子（示意图）

根据理论预测，对于原子核反冲(nuclear recoil)信号灵敏的暗物质粒子探测器，一旦有了足够的“曝光量”和“灵敏度”，也可以探测到来自太阳的中微子。“曝光量”指的是观测粒子需要的时间和探测材料的多少，而“灵敏度”是我们的探测器探测到最微小的粒子的能力。对于XENONnT这类液氙时间投影室来说，太阳中微子的信号极其微小，很难被探测到。这要求实验有极佳的探测器表现和精巧的信号/本底区分方法。本次测量验证了我们对XENONnT中最低能量区域信号的理解。

XENONnT是一个暗物质直接探测实验，位于意大利核物理研究所（INFN）格兰萨索国家实验室(LNGS)。LNGS是全世界最先进的粒子物理与天体物理地下科研设施之一，提供了显著低宇宙线辐射环境。 XENON系列实验均依托LNGS运行，随着灵敏度越来越高，地下实验室成为项目成功开展的关键。

为了探测暗物质候选粒子稀有的相互作用，XENONnT的中心探测器是一个双相时间投影室，利用5.9吨高纯的液氙作为探测靶物质。为了达到最高表现，XENONnT实验部署了多个先进的子系统，例如能保持液氙处于合适低温的制冷系统，可以主动去除混杂在液氙中放射性元素的在线低温精馏塔，还有先进的慢控系统和数据采集系统。七百吨的水罐作为水切伦科夫的中子和缪子反符合系统包围XENONnT的时间投影室，可以进一步降低实验的本底水平。

来自太阳的中微子可以与XENONnT中的氙原子发生中微子-核子相干弹性散射（Coherent elastic neutrino-nucleus scattering, CEvNS）。 这个标准模型中的过程虽然早在1974年就提出，但由于该过程能量低，且中微子与物质极难相互作用，直到2017年CHOHERENT实验才宣布利用美国田纳西州橡树岭国家实验室散裂中子源的高能中微子首次观察到了CEvNS。这次XENONnT不仅首先测量到太阳中微子的CEvNS过程，还首次在氙中观察到CEvNS。XENONnT因此得以比肩其他著名的太阳中微子实验，这些实验的探测器质量往往比XENONnT大10至500倍。

XENONnT的成功探测得益于其探测低能信号的能力和极低的本底。本次分析使用了从2021年7月7日到2023年8月8日逾两年间采集的数据，总曝光量约为3.5吨·年。这批数据测量到了超出预期本底的低能核反冲信号，信号特征与太阳硼-8中微子的相互作用吻合，统计显著度为2.7个标准差——这意味着所观察到的超出信号只有千分之三的概率是由于背景噪音造成的。同时，本次分析采用盲分析方法，即在分析数据时，科研人员在确定好所有数据分析步骤之前，完全看不到含有信号的那一部分数据，从而避免人的主观因素带来偏差。此次测量标志着我们第一次测量到天体中微子源的CEvNS过程。此外，这个重要的结果开启了暗物质直接探测领域的新篇章：XENONnT开始探索“中微子迷雾”（也称“中微子地板”），即中微子产生的信号将成为暗物质测量的重要本底。

图二 观测到的信号可以给出太阳中微子的双边置信区间

随着XENONnT实验还在不断采集数据，XENON合作组期待在粒子天体物理与核物理领域中做出更加激动人心的发现。

金沙总站6165地址物理系高飞副教授团队代表金沙总站6165地址加入XENON暗物质国际合作组。在XENONnT寻找太阳硼-8中微子的物理分析中，金沙总站6165地址物理系21级博士生刘可欣和哥伦比亚大学22级博士生徐大成（金沙总站6165地址22届本科生）在高飞老师的指导下负责了最大本底（偶然符合本底）的压低和预测工作，为此项突破成果作出了重要贡献。在意大利举行的国际暗物质大会(IDM2024)上，高飞副教授代表合作组发布了此结果。

英文报道原文：

https://interactions.org/press-release/first-measurement

XENON合作组IDM2024暗物质大会报告原文：

https://agenda.infn.it/event/39713/contributions/237829/

想了解关于XENONnT实验的更多细节，欢迎访问XENON官方网站，或直接联系XENON合作组

网站：https://xenonexperiment.org/， 邮箱： xe-pr@lngs.infn.it