中国科学技术大学自旋磁共振实验室杜佩之特任研究员与国际合作组合作，在暗物质直接探测方面取得重要进展。研究团队利用詹姆斯韦伯空间望远镜数据进行强相互作用暗物质直接探测研究，成功克服地面实验的探测局限，扩宽可探测参数空间达两个数量级。
该项目揭示了空间探测器在强相互作用暗物质探测中的优势和可行性，为未来空间暗物质探测提供了理论基础。该成果以“Direct Constraints on Strongly Interacting Dark Matter from the James Webb Space Telescope”为题，发表于《物理评论快报》上，并被选为编辑推荐文章。此外，美国物理学会出版的《Physics》杂志以“JWST Looks Within for Dark Matter”为题对本工作进行了专文报道。
探测暗物质的本质对于完善粒子物理的标准模型，理解宇宙形成与演化至关重要。目前，暗物质探测已经是粒子物理、天体物理、宇宙学以及精密测量物理等领域的共同前沿。近三十年来，国内外众多地面暗物质直接探测实验在暗物质参数空间探索中作出系列重要贡献。然而，地面实验对于强相互作用暗物质存在探测盲区。理论研究表明，暗物质可能存在与已知带电粒子相互作用很强的组分。这类强相互作用暗物质在穿过地球大气时发生多次散射，导致能量大幅衰减，使其无法在地面探测器上产生可观测信号。克服这一探测局限，亟需研发全新探测方法，是当前暗物质探测的前沿挑战。
空间探测器因不受地球大气的阻隔，在探测强相互作用暗物质方面有独特的优势。现有的空间探测器中，詹姆斯韦伯空间望远镜携带红外探测器（低阈值），并且噪声相对较低，因此是探测低质量强相互作用暗物质的良好平台。研究团队选取詹姆斯韦伯空间望远镜近红外谱仪的“暗图像”（隔绝外界光源的数据）进行分析。这类数据因不受外界光源的影响，可以很好地标定环境噪声（如宇宙射线）以及仪器自身噪声，并且可能蕴含暗物质的信号。研究团队提出了新的暗图像处理方法，有效排除高能事件干扰，得到暗物质的全新约束。此约束填补了地面实验的探测空白，扩宽可探测参数区间达两个数量级，并且将宇宙中此类强相互作用暗物质在总暗物质的丰度占比限制为0.4%以下。
图1：詹姆斯韦伯空间望远镜对强相互作用暗物质参数空间的约束（蓝色区域）。黄色区域为现有地面暗物质直接探测实验约束。
本研究揭示了空间探测器探测强相互作用暗物质的独特优势以及可行性。本研究的分析方法可运用到其他空间望远镜数据，进一步探索暗物质未知参数空间，并且为未来空间暗物质探测器的设计及数据处理提供坚实的理论支撑，在暗物质直接探测领域发挥重要作用。
杜佩之特任研究员为本文共同一作和通讯作者。此项工作得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1103/s2q8-rzb3
Physics报道文章链接：https://physics.aps.org/articles/v18/s105
（物理学院、科研部）