2023年10月2日至10月15日，由上海交通大学“暗光计划 (Dark SHINE)”团队研制的晶体电磁量能器样机模块，在德国电子同步辐射加速器中心（DESY）的TB22束流线[1]上进行了为期两周的高能电子束流测试实验，是“暗光计划”探测器装置整体预研工作推进的重要一步。
20世纪至今，大量天文观测数据结果表明，宇宙中存在一类参与引力相互作用且未被人类探测到的物质，即暗物质[2]。暗物质作为21世纪粒子物理前沿重大科学问题，是超越标准模型新物理理论与实验研究的热点之一。超越标准模型的新物理理论预言了暗物质的候选粒子，其中“暗光子（Dark Photon）”是主流新物理理论所预言的传递暗物质候选粒子之间及其与标准模型之间相互作用的新媒介粒子[3,4]，对质量在GeV的轻质量暗物质（LDM）粒子的寻找提供了新的思路与研究方向。“暗光计划”是用于探测暗光子衰变为不可见的轻暗物质粒子（LDM）的实验装置[5,6]，其依托上海硬X射线自由电子激光（SHINE）装置[7-9]，预计采用能量8GeV的高频单电子束流打靶，并通过测量反冲电子能量损失的方法探测暗光子，“暗光计划”探测器装置对质量在MeV级别的暗光子具有很好的探测灵敏度。
图1 （左）“暗光计划”探测器系统示意图；（右）电磁量能器材料：LYSO晶体
“暗光计划”探测器装置中电磁量能器系统的主要任务是完成对反冲电子能量的精确测量，采用具有高光产额、快衰减时间、高抗辐照性能的硅酸钇镥（LYSO）晶体闪烁体作为灵敏介质，耦合大动态范围的硅光电倍增器（SiPM）读出，具有很高的电磁能量分辨率。
图2 DESY TB22实验大厅及探测器模块
本次束流实验利用DESY TB22束流线提供的1~6GeV高能电子束流，针对探测器的能量分辨率、时间分辨率、MIP响应、均匀性响应等关键指标进行了为期两周的系统测试。测试对象除了“暗光计划”LYSO晶体电磁量能器样机模块外，还包括了CEPC BGO晶体电磁量能器模块、闪烁玻璃单元。
图3 LYSO晶体探测器单元及PCB
图4 李所博士生赵芷钰在束流实验现场安装和调试探测器
由李政道研究所和物理与天文学院“暗光计划”实验团队所独立设计的LYSO晶体电磁量能器样机模块由4根LYSO晶体组成，配合日本滨松公司的硅光电倍增器（S14160-3010PS）读出，旨在研究探测器对电磁簇射的响应。束流实验期间共收集了15万电子事例，这些事例包含了探测器对不同击中位置以及不同能量入射电子的响应（图5所示），初步结果显示，当入射电子能量逐渐增大时，探测器输出的信号也逐渐增大，且变化趋势和模拟预期非常接近，体现了探测器有良好的线性响应，这将为“暗光计划”电磁量能器设计提供重要的实验依据。本次束流实验也是“暗光计划”项目相关探测器装置首次利用高能粒子束流进行的测试。
图5 探测器对不同能量入射电子的响应，（左）不同颜色的点表示不同入射电子能量，随着电子能量的增大，探测器的输出也逐渐增大，（右）探测器响应随能量的变化趋势和模拟预期十分接近
本次束流实验由李政道研究所博士研究生赵芷钰（导师：李数）主要负责，并与中国科学院高能物理研究所刘勇青年研究员团队负责的BGO电磁量能器样机束流测试协同开展，在运输维护、统筹规划、现场操作等方面深度协作，确保了整体测试任务的顺利完成。DESY束流测试团队、CALICE量能器国际合作组等在此次束流实验期间提供了大量支持和宝贵建议。本次束流实验及相关探测器的研发获得了国家自然基金委原创探索计划和上海市科委/上海交通大学基础研究特区计划的支持。“暗光计划”依托上海交大李政道研究所和物理与天文学院粒子物理学科提出并推动，多位学者（杨海军、李亮、郭军、刘坤、许金祥、邬维浩）及其团队，复旦大学、上海科技大学、中科院上海高等研究院、中科院上海硅酸盐研究所、中国科学技术大学等兄弟单位，深度参与了项目预研工作。在此深表感谢！
[1] R. Diener et al., NIMA 922 (2019) 265-286.
[2] D. Hooper et al., Phys. Rev. D 76, 083012 (2007)
[3] B. Holdom, Phys. Lett. B 166, 196 (1986).
[4] R. Foot, X. G. He, Phys. Lett. B 267, 509 (1991).
[5] J. Chen et al., Sci. China Phys. Mech. Astron. 66, 211062 (2023).
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[7] J. Wan et al, NIMA 1026, 166200 (2022)
[8] Z. T. Zhao et al, Nucl. Sci. Tech. 28, no.8, 117 (2017)
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