近日，《Science China: Physics, Mechanics and Astronomy》正式上线发表了题为《Prospective study of light dark matter search with a newly proposed Dark SHINE experiment》的论文[1]。该文章为李政道研究所和物理与天文学院合作推动的“暗光计划 (Dark SHINE)”项目所发表的首篇物理预研文章，对暗光子到轻暗物质的不可见衰变实验灵敏度作出详细估算并预期将好于国际同类实验，是项目整体预研工作推进与实施的重要里程碑。该文章获编辑推荐(Editor's Focus)[2]和国际专家的专题点评(Highlight Remarks)[3]。李政道研究所和物理与天文学院的博士后陈婧、王雨风及博士生张宇雷为文章共同第一作者，李政道学者李数、刘坤与杨海军教授为共同通讯作者。
探秘“暗物质之谜”是当今物理学的研究焦点和最重大的前沿科学问题之一。暗物质与正常物质相互作用需要引入新的媒介粒子，暗光子作为媒介粒子候选者之一，是连接暗物质与正常物质的门户，为暗物质的寻找提供了新的思路。
在该论文中，项目团队积极探索探测器设计方案，完全自主搭建模拟和分析框架，详细研究了该实验对暗光子信号的重建效率以及对标准模型背景过程的筛除能力。预期通过一年数据积累（3x1014次电子打靶），背景噪声事例能够被压低在0.15个水平，从而将动力学混合参数限制在10-11(对应1MeV暗光子)～3x10-9（对应100MeV暗光子）以下，将现有的实验限制提高两个数量级。预期通过三年的运行（实现9x1014次电子打靶），有望在【MeV, GeV】质量区彻底排除主流轻暗物质模型，预期将好于国际同类实验【图1】。该物理预研结果对未来项目开展实验技术验证、完成原型机和技术设计报告等具有重要的指导性意义。
图1：“暗光计划”预期实验灵敏度与国际同类实验对比图
建造中的上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）计划于2026年竣工。“暗光计划”将依托SHINE装置设计专用8GeV高频单电子束流线，通过高频电子轰击固定靶，批量产生可能存在的暗光子，实现暗物质产生过程的大统计量积累，并通过探测器装置监测暗光子到轻暗物质的不可见衰变过程，提高探测灵敏度。本实验将会是国内首个电子打靶寻找暗光子的实验，开辟通过暗光子寻找暗物质的暗物质探测“新赛道”。此外，固定靶暗光子实验对于低质量区的暗物质探测更为灵敏，与中高质量区更为灵敏的传统暗物质直接探测实验（如PandaX、CDEX等）等可实现优势互补，在更加完整的质量区探索暗物质之谜。【图2】
图2：“暗光计划”探测器装置示意图
该文章作者成员包括李政道研究所和物理与天文学院对撞机实验团队的多位学者及博士后和研究生团队。李政道研究所李政道学者许金祥、刘坤分别于2019-2021和2021至今担任模拟与分析团队召集人，组织开展模拟软件框架的搭建和分析工作；李政道学者刘坤负责了首篇论文工作的整理与投稿；李政道学者李数负责了“暗光计划”预研项目的立项与预研工作的推进实施；杨海军教授负责了项目队伍建设与整体规划指导；李亮教授、郭军副教授、邬维浩副教授对于探测器模拟设计和电子学系统研发作出重要贡献。复旦大学、中科院上海硅酸盐研究所等单位共同参与预研工作。感谢李政道研究所所长张杰院士和物理与天文学院院长向导教授对于“暗光计划”的支持及对于加速器与束流技术的指导。
“暗光计划”迄今已获得2021年度国家自然科学基金委原创探索计划立项支持（为交大物理天文方向首次获批该类项目），及首批次上海交通大学基础研究特区计划项目立项支持，并通过教育部及上海市重点实验室、李政道研究所和物理与天文学院的支持使得项目预研工作得以顺利开展，在此深表感谢。
[1] J. Chen et al., Prospective study of light dark matter search with a newly proposed Dark SHINE experiment, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 66(1): 211062 (2023), DOI: 10.1007/s11433-022-1983-8
[2] Y. Jing (Editor's Focus), Hunting for the dark sector by searching for dark photons with the newly proposed Dark SHINE experiment, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 66(1): 211061 (2023), DOI: 10.1007/s11433-022-2014-7
[3] L. Wang (Highlight Remarks), The Dark SHINE experiment: a promising window into the dark world, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 66(1): 211063 (2023), DOI: 10.1007/s11433-022-2006-x