2021粒子物理热点话题综述(一)|综述

在这个模型下，整个宇宙中的基本粒子分为四类，即夸克、轻子、矢量玻色子和标量希格斯粒子。

其中，矢量玻色子是相互作用的介体，通过规范相互作用传递基本粒子之间的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。

所有的基本粒子都通过与希格斯粒子相互作用而获得质量。随着2012实验中希格斯粒子的发现，粒子物理学的标准模型完成了最后一块“拼图”，证明了标准模型的巨大成功。

但宇宙中还有很多问题是标准模型无法解释的，这说明粒子物理的标准模型不是“终极”理论，而是电弱能标准下的“有效”理论。还有标准模型之外的新物理亟待探索，这也是目前粒子物理领域的主要研究内容。

暗物质研究

暗物质超出了粒子物理的标准模型，是物理学和天文学亟待解决的重大问题。在实验中探测暗物质并研究其物理性质将是物理学的重大突破。

暗物质实验探测主要有三个方向——直接探测、间接探测和对撞机探测。

新一代国际暗物质直接探测实验PandaX-4T 4t液体氙实验首次投入运行，实现了世界上对大质量暗物质的最强约束。

间接探测，包括暗物质粒子探测(DAMPE)和AMS-02空间实验，积累了更多的数据，给出了更精确的测量。

在欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机的LHC上寻找暗物质的工作正在越来越深入到更复杂的参数空间，并为即将到来的Run-3阶段做准备。

中国金平地下实验室(CJPL)是世界上最深的实验室，它有效地屏蔽了宇宙射线的干扰，提供了极其优越的实验环境。中国开展了PandaX液体氙实验和CDEX高纯锗实验，直接探测暗物质。

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近20年来，意大利的DAMA/LIBRA实验一直声称观测到了NaI(Tl)晶体中暗物质产生的年调制信号，但相应的暗物质信号参数却被各类直接探测实验排除在外。

为了更准确地测试这个可疑信号，国际上已经尝试用相同的低背景NaI(Tl)晶体进行实验。

2021年5月，西班牙Canfrac地下实验室公布了利用112.5 kg低本底NaI(Tl)晶体探测器的ANAIS实验进行三年暴露的探测结果，没有发现明显的年调制现象。预计到2022年底，实验会有3倍标准差以上的灵敏曝光，可以给出更准确的结论。

另一个余弦-100实验使用106 kg低本底NaI(Tl)晶体，在南韩杨洋地下实验室1.7 a的曝光数据中，没有发现明显的年调制现象。

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2020年，意大利Gran Sasso地下实验室XENON1T液体氙实验在0.65 t a曝光量的低能电子反冲数据中观测到一个标准差超过3倍的疑似信号，引起了暗物质理论和实验研究领域的广泛关注，急需同类实验的进一步检验。

中国PandaX-II二期580 kg液体氙实验积累了100t·d的辐照数据，直接从刻度数据中获得氙中主要放射性杂质的特征谱，然后根据这些高可靠性的本底特征谱分析电子反冲数据。

PandaX-II的结果表明，XENON1T观测到的疑似信号与目前的数据并不矛盾，需要完善数据统计和检测灵敏度才能给出确定的结论。

PandaX-II实验中轴子的暗物质耦合常数(A)和中微子的反常磁矩(B)的排除极限与XENON1T的疑似信号并不矛盾。

许多类型的暗物质探测实验在国际上得到升级和发展。以液体氙为靶物质的三个实验，中国的PandaX-4T，欧洲的XENONnT，美国的LZ实验，将探测体积提高到了数吨，预计探测灵敏度将提高1个数量级以上。

其中，PandaX-4T液体氙实验于2020年底安装调试完毕，成为世界上首个投入运行的多吨级液体氙探测实验，2021上半年曝光量达到0.63 t a。

PandaX-4T探测器应用了一系列新技术:研制了新一代超大高透明时间投影室探测器，大幅提高了探测器电场的均匀性和电子信号的放大率，实现了高分辨率信号重建；采用无触发数据读取方式，有效降低了微弱信号的检测阈值；研制了新的低温氙精馏系统，成功提纯了6 t氙，将放射性杂质氪85的含量降至PandaX-II的1/20。有效利用液体氙自屏蔽，结合各种放射性测量方法和表面清洁工艺，使单位探测目标中的放射性本底降至1/20，放射性杂质氡222含量降至1/6。

PandaX-4T首批数据的探测灵敏度是PandaX-II的2.6倍，给出了世界上最强的大质量暗物质和核自旋无关的散射截面的限制。

PandaX-4T第一批数据

暗物质自旋无关散射截面的排斥极限

黄色区域是“中微子地板”，即探测灵敏度可以探测到探测器中太阳或大气中微子的信号贡献。

这些数据还表明，PandaX-4T实验在10 GeV/ c 2的暗物质质量附近开始触及所谓的“中微子地板”，这意味着有可能探测到太阳核聚变产生的硼8中微子和氙核的相干散射信号，这种散射将是未来探测中微子的重要方式。

与此同时，国际社会开始计划数十吨的“终极”液态氙探测实验，其中一项就是将暗物质探测的灵敏度提升到“中微子地板”。PandaX实验团队开发了相应的关键技术。

以液氩为靶材料的探测器对大质量暗物质也有独特的探测灵敏度，几十吨级的低背景氩探测器的研发也在持续推进。

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中国CDEX实验使用点电极高纯锗探测器，可以探测低能量阈值，对轻暗物质有很高的灵敏度。

2021年，CDEX实验公布了利用942.5 kg d曝光的数据搜寻有效暗物质信号的结果。

在直接探测实验中，暗物质与目标物质相互作用的转移动量较小，可以用有效场算符的形式进行系统研究，从而全面覆盖多种可能的暗物质理论模型。

在分析中，CDEX实验将探测阈值降低到160 eV。对于小质量暗物质，系统地给出了非相对论下多种有效场模型耦合常数的上限。

同时利用手征有效场理论得到了世界上最强的WIMP和π介子散射截面在6 GeV/ c 2质量以下的排斥极限。

目前，CDEX实验正在研制50 kg高纯锗探测阵列实验，有望将探测灵敏度提高2个数量级以上。

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对于小质量暗物质，直接探测实验也尝试不同的探测方案来突破探测阈值。

液体氙探测实验通过独立电离电子信号(仅S2)、米格达尔或轫致辐射等次级效应寻找低质量暗物质。

比如2021年初PandaX实验发表的纯S2数据分析结果，用于寻找暗物质和电子散射信号，在暗物质质量范围15~30 MeV/ c 2给出了世界上最强的散射截面极限。

SENSEI实验使用了约2 g的高阻抗Skipper-CCD，并于2020年底公布了24 d运行数据的结果，给出了质量为0.5~10 MeV/ c 2的暗物质和电子散射信号的世界最强限制，质量为1.2~12.8 eV/ c 2的暗光子的世界最强限制。

SENSEI实验正在组装和测试100 g探测模块，将大大提高这个质量范围内暗物质探测的灵敏度。

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在暗物质间接探测方面，中国暗物质探测卫星DAMPE实验和国际空间站AMS-02实验不断积累数据。

2021公布了AMS-02实验运行7年以来的物理数据，给出了更精确的反电子和反质子测量结果。

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在对撞机探测方面，大型强子对撞机LHC上的ATLAS和CMS实验连续分析Run-2运行期间的所有数据，寻找暗物质产生过程和中间传播子信号。

对撞机探测不受核自旋大小的抑制，通过寻找夸克或胶子湮灭产生暗物质的过程，通过双注入* * *振动峰直接寻找轴矢量中间传播子，可以有效补充直接探测实验的结果。

与此同时，对撞机实验正在寻找一些复杂过程的暗物质模型。其中，暗希格斯模型认为暗物质的质量起源也可能有类似于希格斯的破缺机制——暗希格斯可以有类似于希格斯的衰变过程。

ATLAS实验在2021发表了第一个暗希格斯衰变为两个矢量玻色子的搜索结果，限制了中间传播子和暗希格斯的质量。

LHC的第三阶段即将开始，Run-3将积累更多的数据，以进一步扫描各种暗物质生成模型。

中微子和粒子天体物理研究

粒子天体物理学与粒子物理研究密切相关。宇宙射线具有地球上人造加速器无法达到的高能量，为我们了解极高能量的物理过程，寻找新的物理提供了宝贵的物质样本。

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2021年，粒子天体物理领域最显著的成果来自我国国家重大科技基础设施高海拔宇宙线天文台LHAASO。

LHAASO于2021完成建设，顺利通过工艺验收，正式进入科学运行阶段，以前所未有的灵敏度开展伽马射线和宇宙线的巡天工作。

建设期间，基于1/2阵列数据，LHAASO合作组发布了首批观测结果:在银河系发现大量超高能宇宙加速器，在河内寻找宇宙线起源取得重要进展；记录到能量为1.4 PeV的伽马射线光子，这是迄今为止人类观测到的最高能量光子，创造了一个全新的超高能伽马射线天文窗口。

蟹状星云是首批发现的12超高能伽玛射线源之一，一直被认为是伽玛射线天文学中的“标准烛光”。LHAASO的最新成果为这种超高能带的“标准烛光”设定了亮度标准。

LHAASO观测到来自蟹状星云方向的0.88 PeV伽马射线光子。

这些超高能γ射线辐射产生PeV以上能带的电子，接近经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限，对现有的粒子加速理论提出了严峻的挑战。

未来几年，LHAASO将继续在北部天空区域开展巡天观测，扫描伽玛射线源，精确测量“膝盖”区域的宇宙线能谱，从而冲击宇宙线起源的世纪之谜。

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另一个来自宇宙深处的重要物质样本是高能中微子。

2021年，位于南极冰中的冰立方中微子天文台宣布了第一次glashow * * *振荡事件——glashow预言反电子中微子可以与电子相互作用产生W玻色子。产生glashow振荡的中微子峰值能量为6.3 PeV，可从极端天体环境中获得。

在这种簇射情况下，冰块的能量为6.05±0.72 PeV。考虑到簇射中的不可见能量，中微子能量修正为约6.3 PeV；。例子中探测到的次级μ子信号表明了W玻色子的强子衰变过程，为glashow * * *振动提供了进一步的证据。

艾斯·库伯glashow * *地震事件再次验证了粒子物理的标准模型，揭示了天体反电子中微子的存在。

对glashow * *地震事件的观测有望限制天体中微子的产生机制。

未来几年将是中微子天文学发展的关键时刻。国内外多个实验组提出了冰、海洋、湖泊多种下一代中微子望远镜方案，并结合伽玛射线、宇宙线、引力波的观测数据，开展多信使天文学研究。

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在寻找标准三味中微子模型之外的新物理的过程中，美国费米国家加速实验室的MicroBooNE实验发布了新的测量结果，没有发现惰性中微子的迹象。

此前，LSND、MiniBooNE等短基线实验发现中微子数量异常，引入了第四种中微子——惰性中微子。

在MicroBooNE实验中没有发现惰性中微子，说明差异有待进一步研究，中微子数量异常仍是未解之谜。

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2021年，国际无中微子双β衰变实验发展迅速。

在大规模实验中，CUORE和Kam？LAND-ZEN实验继续分别取数据，GERDA的继任实验LEGEND-200即将开始运行。

中国的无中微子双β衰变实验近年来蓬勃发展，许多实验组提出了许多不同的实验方案，再次说明了马略拉那中微子问题的重要性和意义。

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2021年，中国江门中微子实验建设进展顺利，预计2023年开始数据收集。中微子质量级和中微子混合参数的精确测量有望率先获得具有国际竞争力的实验结果。

明天我们将介绍三个领域的进展:子木反常磁矩的研究，重味和强子物理的研究，高能前沿的希格斯物理，电的弱物理和寻找新物理，敬请关注！

本文全文发表在《科技导报》2022年第1期，原题为《2021年粒子物理热点话题综述》。这篇论文被删节了。欢迎订阅。