大量的天文学观测结果显示，宇宙中约有85%的物质是看不见的暗物质，而普通物质仅占15%左右。如果暗物质与普通物质一样由基本粒子构成，则这种粒子的性质尚无法被粒子物理标准模型所描述。因此对暗物质本性的理解将大大拓展人类对宇宙以及微观世界的认知。这也是本世纪最重要同时最具挑战性的科学问题之一。探索暗物质的本性有多种方案，其中基于深地实验室开展的暗物质直接探测实验在过去十年内将灵敏度提升了数个量级，成为了近年来的研究热点。
XENON暗物质项目是目前国际上主要的深地暗物质直接探测实验之一，其目标是利用氙（Xe）直接探测暗物质，尤其是弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs）。XENONnT是其最新一代实验。实验装置位于1400米岩层下的意大利国家核物理研究所格兰萨索国家实验室（INFN-LNGS），约10米高的水罐内为依次嵌套的缪子反符合系统、中子反符合系统、核心探测器。XENONnT的核心探测器是高度与直径都约为1.5米的二相氙时间投影室（Time Projection Chamber, TPC），其中充满极纯净的氙，可通过控制温度与压强使其处于液氙与气氙的稳定状态。探测器系统中总共有约8.5吨氙，而其中5.9吨是可探测相互作用的有效体积。TPC内通过电极建立电场，而其顶部和底部为光探测器阵列。WIMPs与液氙原子相互作用可致使氙原子激发或电离，被激发的氙原子退激发引起闪烁光（S1），而电离产生的电子在电场的作用下向TPC顶部漂移，在顶部被更强的电场自液相引出至气相中，在气氙倍增电场中产生次级的闪烁光（S2）。电子漂移导致的两信号时间间隔可转换为相互作用的深度，时间投影室因此得名。这两个闪烁光信号都被极灵敏的光探测器记录下来，经过数据处理软硬件重建出每一个相互作用事例的能量和三维位置，采用盲法分析寻找可能的暗物质粒子信号。
XENONnT实验于2021年春季完成探测器建设与调试，此后采集首批科学数据。基于此首批曝光量约1吨·年的数据，XENON合作组近期发表了XENONnT实验的首批暗物质核反冲信号探测结果。盲法分析结果显示，实验数据中未发现足够高显著度WIMPs暗物质信号。基于此结果，WIMPs暗物质与普通物质的相互作用强度被划定了更低的上限。结果参见图1及图2。这项研究成果近期发表于Physical Review Letters[1]，与另一重要的液氙暗物质实验LZ的首批结果一同获得编辑推荐和Physics杂志的专题评论。
探测暗物质的关键技术之一是探测器的极低放射性控制。这些放射性一部分源于液氙中的放射性杂质，一部分来自建设材料及周围环境。液氙中的放射性杂质主要成分是探测器材料源源不断放出的氡原子。氡也为稀有气体，因此非常难以从液氙中去除。XENON合作组研发了降低氡水平的一系列技术，包括极为严格的材料筛选和有效分离氡的低温精馏系统，实现了创纪录的低氡含量。另外一个重要的放射性本底是来自探测器材料的中子，因为中子在探测器中可以留下与WIMPs极为相似的信号。针对中子本底，XENONnT实验采用了新的中子反符合系统，可以识别和去除中子事件。XENONnT探测器极为灵敏，甚至可以探测到已知的最难以捕捉的粒子——中微子，因此中微子也被纳入分析框架的本底模型中。
XENONnT实验仍会继续优化探测器条件，例如升级氡精馏系统运行模式从而进一步降低本底水平。位于地下的XENONnT暗物质探测器此刻正在采集更多科学数据，将在未来几年实现更高的WIMP探测灵敏度。
图1：XENONnT实验首批暗物质探测数据的低能量候选事件在cS1-cS2空间的分布。这些事件的物理来源主要包括探测器放射性实验本底产生的电子反冲（Electronic Recoil, ER）本底、中子（Neutron）本底、表面放射性（Wall）本底和偶然符合（Accidental Coincidence, AC）本底。橙色区域展示的是暗物质信号最可能出现的区域。cS1与cS2是经修正后的闪烁光S1与S2面积。饼状图表示cS1-cS2参数空间该点的各本底或信号模型的pdf比例，并不确定性代表其来源。图片来自于[1]。
图2：XENONnT实验数据给出的自旋无关WIMP-核子散射截面90%置信区间。黑色实线为上界，随不同WIMP质量变化。图片来自于[1]。
图3：在XENONnT实验首批暗物质探测数据分析中，金沙总站6165地址主要开发的两种数据筛选方案(Shadow&Ambience, BDT&S2Width)，分别移除了图中暗红色和紫色的偶然符合本底事件，显著提升了暗物质探测的灵敏度。图片来自[2]。
金沙总站6165地址于 2020 年加入 XENON 合作组，参与 XENONnT 实验的运行和物理分析工作。作为XENONnT实验首任物理分析协调人之一，高飞老师在实验建设和测试阶段作出了重要贡献，为获得首批高质量科学数据奠定了基础。在XENONnT首批物理数据分析中，偶然符合本底成为了探测暗物质和中微子信号的重要挑战之一。2021级博士生刘可欣和2022届本科生徐大成（现为哥伦比亚大学博士研究生）在高飞老师的指导下负责了 XENONnT 实验偶然符合本底的识别、压低和预测工作，并为合作组提供了优化的数据筛选方案，显著降低了偶然符合本底对XENON 合作组利用核子反冲信号寻找暗物质的影响。如图3所示，金沙总站6165地址主要开发的数据分析筛选方案将偶然符合本底压低了两个数量级，显著提升了XENONnT探测暗物质信号的灵敏度。基于这些数据分析方法，XENON合作组正在开展寻找太阳硼-8中微子的物理分析工作，有望在此研究方向取得突破[2]。
此项研究工作得到了金沙总站6165地址“双一流”建设和“自主科研”项目的支持。
[1] E. Aprile et al. (XENON Collaboration), First Dark Matter Search with Nuclear Recoils from the XENONnT Experiment, Physical Review Letters 131, 041003 (2023).
[2] Fei Gao on behalf of the XENON Collaboration, Search for Solar 8B Neutrinos and light Dark Matter with the XENON Detectors, Dark Matter 2023, UCLA, USA, https://indico.cern.ch/event/1188759/contributions/5222446/
