实验结果以更高置信度排除DAMA年度调制信号的暗物质解释

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耶鲁大学赖特实验室Reina Maruyama教授团队成员、2025届博士毕业生Sophia Hollick在其博士论文中,对暗物质直接探测领域一项持续近30年的争议给出新的统计检验结果:自1997年以来DAMA实验报告的年度调制信号,难以用暗物质散射作出解释。Hollick的相关研究以《COSINE-100与ANAIS-112联合年度调制暗物质搜索》为题发表于《物理评论快报》。

围绕DAMA信号的独立检验

1997年,意大利Gran Sasso国家实验室的DAMA/NaI实验报告在碘化钠探测器中观测到具有年度变化特征的信号,随后DAMA/LIBRA实验也给出类似结果。由于该调制信号与其他直接探测实验结果及模型预测不一致,学界长期对其“暗物质直接探测”解释保持审慎态度。

为对上述声明进行独立复核,采用与DAMA/NaI和DAMA/LIBRA相同基本设计的两项“姊妹实验”相继运行:COSINE-100位于韩国杨阳地下实验室,自2016年开始采集数据;ANAIS-112位于西班牙Canfranc地下实验室(LSC),自2017年开始采集数据。Maruyama为COSINE-100的首席研究员(PI)及科学联合发言人。

这些实验均以碘化钠为探测材料,目标是寻找暗物质候选粒子与探测器发生散射的特征信号。按照相关设想,地球绕太阳公转会改变探测器相对银河系暗物质的速度,从而使信号呈现可观测的年度调制。ANAIS-112与COSINE-100在沿用相同探测材料的同时,引入额外分析手段以降低背景、提升事件探测能力,用于对DAMA结果进行更直接的对照检验。

合并数据后未见显著年度调制

在各自独立的数据集中,ANAIS-112与COSINE-100均未观测到与DAMA报告相符的年度变化迹象。Hollick在博士论文中进一步将两项实验数据进行合并,并开展统计分析。结果显示,在相关能量区间内未发现显著年度调制证据,从而以更高置信度排除了DAMA/LIBRA信号源于暗物质的可能性。

Hollick表示,由于COSINE-100与ANAIS-112未能重复DAMA/LIBRA的调制信号,该调制现象不能归因于暗物质。

后续工作方向

研究团队指出,上述结果并未解释DAMA实验中调制信号的具体来源,但相关结论有助于暗物质研究社区将工作重心从未解的探测声明转向后续搜索。

Maruyama表示,尽管DAMA信号成因仍不明确,COSINE与ANAIS合作组将继续使用碘化钠暗物质探测器开展研究,包括大规模制造探测器、探测低质量暗物质,以及利用不同质量和核自旋的多种核种研究多样相互作用。

据介绍,Hollick目前为西班牙萨拉戈萨大学博士后研究员。她表示,参与并推动两项位于不同地区的成熟实验开展联合搜索,促进了国际交流,也加深了其对核粒子物理与暗物质研究的理解。


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