现代物理学表明，暗物质包裹着银河系，以极微小的概率与地球上的粒子相互作用。XENONnT实验用液氙作为粒子“捕手”，期望直接探测到这类稀有事件。当暗物质实验灵敏度达到一定程度时，会探测到太阳内部核聚变产生的中微子通过与原子核发生相干弹性散射（Coherent Elastic neutrino-nucleus scattering, CEvNS）的信号。此类中微子信号与暗物质信号相似，暗物质信号可能会淹没其中，这种现象称为 “中微子雾”。在一系列太阳中微子中，最先能测到的中微子来自硼-8同位素反β衰变反应，通常称之为硼-8中微子。
构成“中微子雾”的太阳硼-8中微子信号能量极低，给探测器物理分析带来挑战。2024年，清华物理系高飞团队利用XENONnT实验成功首次测量到太阳硼-8中微子，研究结果发表于Physics Review Letter并入选APS年度十大亮点（详见报道https://mp.weixin.qq.com/s/EUK9eXWDLj0N2XBl_dzmXA）。
在首次触碰“中微子雾”后，XENON合作组将太阳硼-8中微子作为实验本底，进一步利用同一批数据寻找轻质量暗物质信号。图1表示XENONnT实验全部测量事例以及对数据中各成分的统计推断结果。从中可以看出，太阳硼-8中微子的分布范围与轻质量暗物质几乎重合。从数据可以统计推断出，其中存在暗物质信号的可能性微乎其微。
图1: XENONnT寻找太阳硼-8中微子和暗物质的3吨年曝光量数据集中全部事例。紫色代表偶然符合本底，绿色代表太阳硼-8中微子，橙色代表质量为6 GeV的暗物质。饼图扇形代表该点处各成分的最佳拟合值比例，饼图大小代表暗物质成分占比大小。即使在最大的饼图中，暗物质成分也几乎不可见。
此项研究成果于2025年3月20日发表在《物理评论快报》(Physics Review Letter)上[2]，并被选为编辑推荐（Editors’ suggestion）—— “首次在受中微子雾影响的参数空间中确定GeV量级暗物质的上限”。
此项研究与测量太阳硼-8中微子的研究工作紧密相关，最关键的问题是压低和预测偶然符合本底和描述核反冲信号的分布。物理系博士生刘可欣和哥伦比亚大学博士生徐大成（清华工物系22届本科毕业生）在高飞副教授指导下，实现了此本底高精度预测，为测量太阳硼-8中微子做出重要贡献，也为在此能量范围寻找其他物理信号奠定了基础。本文通讯作者芝加哥大学物理系博士生袁澜清和哥伦比亚大学物理系博士生石申阳与高飞团队合作，进一步分析了数据，寻找超出偶然符合本底和太阳硼-8中微子本底的暗物质信号。两位同学在2021年至2023年间还多次访问高飞课题组，合作开展物理分析工作。
该研究得到了清华大学自主科研项目的支持。
引用文献:
1. E. Aprile et al. (XENON Collaboration), “First indication of solar 8B neutrinos via coherent elastic neutrino-nucleus scattering with XENONnT,” Phys. Rev. Lett. 133, 191002 (2024).
2. E. Aprile et al. (XENON Collaboration), “First search for light dark matter in the neutrino fog with XENONnT,” Phys. Rev. Lett. 134,111802 (2025).
