结合ATLAS对撞机探测和PandaX直接探测实验最新数据寻找暗物质粒子

WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) is an important candidate of dark matter, we can search for it via both collider search experiment like ATLAS and direct detection experiment like PandaX. However, the sensitivities to dark matter in these two experiments are different. Collider search is insensitive to high mass dark matter, while direct detection experiment is hard to detect low mass dark matter. If we can combine collider search and direct detection, stronger constraints on dark matter models could be obtained. Currently we are working on the collider search ATLAS experiment and direct detection PandaX experiment in search for dark matter. In this project, we propose to combine ATLAS experiment and PandaX experiment, study their common dark matter models, analyze the upcoming data, and eventually combine the results of two experiments together to set stronger limits on dark matter models. We expect to squeeze the dark matter free phase space in two directions and give hints on the future steps of dark matter searches.

具有弱相互作用的大质量粒子（WIMP）是暗物质的一个重要候选，我们既可以通过对撞机实验也可以通过直接探测实验来寻找。但是这两类实验对WIMP暗物质有着不同的灵敏度，对撞机实验难以探测高质量的暗物质，而直接探测难以探测低质量的暗物质。如将两类实验结合起来，就能够互相补充，给出暗物质模型更强的限制。目前申请人在世界上对撞能量最高的ATLAS实验和直接探测灵敏度最前沿的PandaX实验上从事暗物质的实验寻找。本项目提出结合ATLAS对撞机探测实验和 PandaX直接探测实验这两个方向，研究两个实验共同的暗物质模型，利用未来几年最新的数据分别搜寻各种暗物质模型，最终将两个实验对暗物质的限制结合起来，全面覆盖暗物质模型参数空间尤其是暗物质质量参数，可望从不同方向探索暗物质参数空间，为暗物质探测的进一步发展提供参考。

对撞机探测实验和深地直接探测实验是寻找暗物质的两个重要途径，都是基于暗物质和普通物质之间某种超出标准模型新相互作用，可以结合起来扫描暗物质参数空间。本项目利用ATLAS Run-II的质子对撞数据，一方面通过双喷注和横向丢失能量信号寻找直接产生的暗物质，另一方面通过双喷注信号寻找连接暗物质和普通物质的中间传播子，并通过初态辐射效应将中间传播子质量扫描范围向更低区域拓展。结果显示对中间传播子的寻找具有独特的优势，其结果和暗物质质量的依赖性不强，可以覆盖大范围的暗物质质量参数空间。在PandaX直接探测实验上，本项目一方面在传统的自旋无关的暗物质与原子核相互作用模型上，利用最新的PandaX-4T的数据，给出大质量区域世界最强的限制。另一方面，开展多类型的暗物质探测，包括矢量流、轴矢量流、电偶极矩、磁偶极矩等有效场相互作用类型以及暗物质和电子相互作用等。综合ATLAS实验和PandaX实验结果显示，对于自旋无关的暗物质相互作用模型中，PandaX实验覆盖了质量在10GeV以上的重质量区域，ATLAS实验双喷注反应道覆盖补充到小质量区域。对于自旋相关的暗物质相互作用模型，ATLAS实验结果在大范围质量区域给出当前最强的限制。