大量天文学观测表明，宇宙中大约四分之一的成分是一种具有（较大）质量却很少与普通物质发生相互作用的暗物质。暗物质无法用人们已经认识的任何微观粒子来解释，研究其性质成为了粒子物理和天文学最重要的研究方向之一。基于极深地下实验室的暗物质直接探测是研究暗物质性质的最有力手段之一。这样的暗物质探测实验已经在世界多个国家的地下实验室中开展了近30年，技术日趋成熟。其中，XENON国际合作组从2005年开始研发了一系列高灵敏度的液氙暗物质探测器（包括XENON10,XENON100,XENON1T以及XENONnT），并一次次取得了暗物质探测领域的世界最佳结果。近10年来，中国也开始在暗物质直接探测领域发力，以清华大学主导的高纯锗CDEX实验和以上海交通大学主导的PandaX液氙暗物质实验也在国际上取得了一系列领先的研究成果并引起了广泛的关注。大家正在你追我赶得提升暗物质实验灵敏度，希望在未来几年直接探测到暗物质的信号。

然而，来自太阳、大气等天体物理的中微子相干性弹性散射将在探测器中产生与暗物质十分相似的核反冲本底信号，如图1所示。因此，这些天体物理中微子本底将是横在暗物质探测领域无法避免的屏障，被称为暗物质探测的“中微子地板”。从另一个角度来看，随着灵敏度的显著提升，未来的暗物质探测器也可以用来探索天体物理的中微子信号，为研究中微子物理提供重要的支持。然而，除XENON1T实验之外，国际上其他的探测器灵敏度还远远达不到“中微子地板”。

图1：暗物质与太阳硼-8中微子在XENON1T液氙探测器碰撞产生信号的示意图。

作为国际首个吨量级探测器，运行于意大利Gran Sasso地下实验室的XENON1T探测器拥有暗物质探测能量区间的世界最低实验本底。利用2017-2018年采集的实验数据，XENON合作组开展了迄今为止最灵敏的暗物质探索，给出了暗物质与核子相互作用截面的最强实验限制。然而，该物理分析方案主要是针对重质量暗物质（质量大于10GeV）粒子，因此对轻质量暗物质（质量低于10GeV）以及太阳硼-8中微子的灵敏度受到了限制。2020年疫情期间，XENON合作组开展了一系列针对太阳硼-8中微子的最优化物理分析方案，在不显著增加实验本底的前提下将XENON1T探测器的能量阈值从2.6keV降低到1.6keV。通过此分析，XENON1T探测器预期测量到2.1个太阳硼-8中微子信号，预期显著度超过2个标准差。然而，严格的盲分析结果显示实验数据中没有显著的太阳硼-8中微子信号。通过降低探测器的能量阈值，XENON1T对质量在3到12GeV的暗物质粒子的探测灵敏度得到了显著地提升，如图2所示。与此同时，XENON合作组首次将太阳硼-8中微子作为一种“刻度源”对液氙中光子和电子信号的产生过程作出了一定的限制。最后，XENON合作组还利用该数据探索了中微子超出标准模型的相互作用。

图2：XENON1T实验在探测轻质量暗物质灵敏度的显著提升。蓝色实线是XENON1T探测器对暗物质与核子相互作用截面的实验上限，该结果比之前的世界纪录提升近一个数量级。

此工作是国际首次利用高灵敏度暗物质探测器探索天体物理中微子过程，对未来的暗物质探测和基于相干性弹性散射的太阳硼-8中微子测量有重要的指导意义。在XENON1T之后，中国主导的PandaX-4T，美国主导的LZ以及国际合作的XENONnT实验都已处于试运行阶段。与XENON1T相比，这些实验的预期本底低5-10倍，暗物质探测灵敏度高约10倍以上。如果采用相似的物理分析方案，这些探测器将很可能在探测器能量阈值和实验本底控制方面得到进一步地提升，从而以高置信度测量到太阳硼-8中微子信号。此研究同样对这些探测器的优化提供了指导，如液氙纯度对太阳硼-8中微子信号的强度有显著的影响。XENONnT率先在国际上研发了低温液氙纯化系统，将使其液氙纯度高于同类实验，为我们测量硼-8中微子提供巨大的优势。清华大学是该系统的责任单位之一。

此研究结果以“Search for Coherent Elastic Scattering of Solar 8B Neutrinos in the XENON1T Dark Matter Experiment”为题与2021年3月1日在线发表在Physical Review Letters上，并得到了“编辑推荐”。清华大学物理系是该工作的主要完成单位之一，高飞助理教授是文章的共同通讯作者。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.091301