暗物质作为一种难以捉摸的物质,占据宇宙质量大部分,其组成和性质至今大多未知。过去物理学家多聚焦于探测相对较重的暗物质粒子,近年来,寻找质量低于1吉电子伏特(GeV)的较轻粒子成为新方向。SLAC国家加速器实验室和俄亥俄州立大学的研究人员发现,中微子天文台这一原本用于研究中微子的大型地下探测器,具备探测亚GeV暗物质粒子特征的能力。

中微子天文台体积通常比多数轻暗物质探测器大,许多基于液体闪烁体,这种液体在带电粒子穿过时会产生光。其激发阈值低,理论上可探测低能散射事件。研究团队模拟了亚GeV暗物质在闪烁体探测器内的散射,特别关注了位于中国南方、灵敏度极高的中微子天文台JUNO探测器。他们提出,中微子天文台可通过寻找正常“背景”信号中微妙的、随时间变化的过量信号来探测暗物质,抑制低能区背景信号,从而获得领先的暗物质探测灵敏度。
研究团队分析表明,中微子天文台可能成为寻找轻暗物质粒子的有效工具。利用光电倍增管暗物质总探测率作为可观测物理量,并利用其年度调制特性,JUNO可探测到MeV尺度暗物质的暗物质-电子散射截面,为MeV-GeV质量范围内的发现打开新窗口。这一方法可能启发世界各地实验物理学家,采用液体闪烁体进行暗物质实验,有助于交叉验证信号,设定更严格的限制,甚至发现轻暗物质粒子。研究人员还计划将想法推广到其他探测器设计,并探索联合分析可能性。