图1 光电倍增管（PMT）支撑框架局部。XENONnT探测器顶部和底部的PMT阵列用于记录粒子相互作用产生的光信号。

近日，XENON合作组公布了利用XENONnT实验低能电离信号搜寻轻质量暗物质的最新结果。基于2021至2025年间总曝光量7.83吨·年的数据，XENON合作组首次在XENONnT中建立完整的电离信号本底模型。由于数据中未观察到显著超出预期本底的事件，XENONnT实验对多类轻暗物质模型给出更严格的限制，把液氙实验的灵敏度进一步推进到太阳中微子构成本底的区域。相关研究成果以“Light Dark Matter Search with 7.8 Tonne-Year of Ionization-Only Data in XENONnT”为题，于2026年7月30日在线发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），并入选编辑推荐（Editors’ Suggestion）[1]。

暗物质占宇宙物质总量的大部分，却几乎不发光，也很少与普通物质相互作用。科学家们在过去几十年搭建了多种探测器，希望直接记录暗物质与原子核或电子发生碰撞后留下的微弱信号。XENONnT位于意大利格兰萨索国家深地实验室，核心是一台装有5.9吨液氙的双相时间投影室。粒子在液氙中沉积能量时，通常会产生瞬时闪烁光和电离电子。对于质量为GeV量级或甚至更低的暗物质粒子，其反冲产生的瞬时闪烁光往往弱到无法识别，但电离电子由于正比放大仍可能被观测到。因此，纯电离信号分析能够把探测阈值推向更低能区。

低阈值也意味着更严峻的本底挑战。在仅有几个电子的信号尺度上，阴极表面放射性衰变、高能量事例后的延迟电子及其偶然符合叠加，以及电极附近产生的电子发射，都可能伪装成暗物质信号。与真实粒子产生的液氙反冲信号相比，这些“仪器本底”更依赖探测器运行状态、波形形状和高能事件前后的噪声环境。建立完整的本底模型，是纯电离搜索能否进入大曝光量阶段的关键。研究团队利用探测器模拟与机器学习技术，建立了一套数据驱动的电离信号分析方法，对暗物质-核子散射、暗物质-电子散射、类轴子粒子和暗光子等多种模型进一步收紧了已有的限制（图2）。对推进未来一代暗物质探测技术有重要借鉴意义。

图2 XENONnT对六类暗物质相互作用模型给出的90%置信水平上限。黑色实线表示本工作结果；绿色和黄色带分别表示1σ和2σ预期灵敏度区间；左上图灰色区域为暗物质-核子散射中的“中微子雾”。

本文通讯作者哥伦比亚大学石申阳博士和法国索邦大学潘泳宇博士（留学基金委中法联合培养项目，高飞为其中方导师）在清华大学物理系高飞副教授的合作与指导下完成了本项研究。博士期间，两人曾赴清华大学访问交流，并与高飞团队围绕XENONnT低能电离信号分析、本底建模及统计推断等关键问题开展深入合作。清华大学物理系2021级博士生蔡畅参与该物理分析并作出重要贡献。

此项研究工作得到自然科学基金委创新研究群体(B类)、教育部“U40”计划、清华大学自主科研“笃实”计划和“国际合作专项”的支持。

参考文献：

[1] E. Aprile et al. (XENON Collaboration), “Light Dark Matter Search with 7.8 Tonne-Year of Ionization-Only Data in XENONnT,” Phys. Rev. Lett. 137, 051003 (2026). DOI: 10.1103/2lrq-f6bk.

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/2lrq-f6bk