XENONnT实验是XENON暗物质项目最新一代的探测器，拥有前所未有的低电子反冲本底（Electronic Recoil, 即粒子与靶原子的电子相互作用；与之相对应的还有与原子核相互作用的Nuclear Recoil，核反冲），使其对暗物质粒子等稀有事件有很高的灵敏度。XENONnT的首批结果澄清了此前XENON1T实验观测到的电子反冲事件超出迹象，进一步限制了一些新物理假说的参数空间。

XENONnT实验位于意大利格兰萨索国家地下实验室，主要目标是寻找难以捉摸的暗物质粒子。探测器以大约六吨极纯净的液态氙作为与暗物质粒子相互作用的靶，安装在曾在XENON1T实验使用过的水切伦科夫缪子反符合装置中。2020年春季至2021年春季，XENONnT团队克服疫情带来的重重困难，完成了探测器建设和安装调试。2021年7月6日至2021年11月10日，XENONnT采集了首批科学数据，有效时长97.1天。

像XENONnT这样的稀有事件探测实验，对自然放射性本底水平要求非常严苛。各类放射性衰变，不论是来自液氙还是来自探测器材料和周围环境，都可能干扰暗物质信号。在液氙中，放射性杂质主要是氡。这种杂质非常难消除，因此压低氡含量对高灵敏度探测器来说至关重要。得益于严格的材料筛选和可以循环去除液氙中氡的在线精馏系统，XENON合作组实现了前所未有的低氡本底水平。

两年前，XENON合作组宣布XENON1T实验观测到了电子反冲事件的超出迹象。这些超出事件可能是新物理的迹象，因此引起了广泛的讨论。液氙与太阳轴子、有反常磁矩的中微子、类轴子粒子和其他假说性的暗粒子等的相互作用，都有可能引致所谓“电子反冲”信号。新一代探测器XENONnT的电子反冲本底只有XENON1T的五分之一，因此对这个可能的信号更加灵敏。今天，XENON合作组发布了来自XENONnT的首批结果：没有发现超出本底的电子反冲信号。这个分析结果说明XENON1T观测到的超出可能来自液氙中痕量的氚，而这也正是当时的假说之一。与此同时，新结果也进一步限制了此前为解释XENONn1T超出迹象提出的各种新物理假说的参数空间，见图 1。

图1：XENONnT实验在探测太阳轴子信号、太阳中微子反常磁矩信号、类轴子暗物质信号和暗光子暗物质信号方面均取得国际领先的灵敏度，排除了XENON1T 实验电子反冲超出事件来自于这些新物理信号的可能性。

这一新结果的发布宣告着XENONnT科学探索时期的开始。第一批科学数据的曝光量约为1吨·年，这些数据将会被进一步分析来寻找弱相互作用大质量粒子（WIMPs）—— 宇宙中暗物质最有潜力的候选者之一。与此同时，XENONnT将继续采集数据，在接下来的几年中向更高暗物质灵敏度进发。

清华大学于 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，物理系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。由于探测器长距离的漂移电场，偶然符合本底成为了限制XENONnT实验探测暗物质、轴子、中微子等新物理的重要挑战之一。刘可欣（博士生）和徐大成（本科生）同学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数据筛选的方案。在此基础上，XENON 合作组在利用电子反冲信号寻找新物理的工作中几乎完全摆脱了偶然符合本底的影响。这些关于偶然符合本底的研究工作将在 XENONnT 实验寻找暗物质、太阳中微子等物理信号中发挥关键的作用。相关工作已于 2022 年 7 月 22 日在维也纳举行的第 14 届 Identification of Dark Matter 国际会议上公开，并投稿《物理评论快报》。

此项研究工作得到了清华大学“双一流”建设和“自主科研”项目的支持。