近年来,暗物质的本质仍然是粒子物理学和宇宙学最重要的未解之谜之一。传统候选者多集中在弱相互作用大质量粒子(WIMPs)或轻子类(如轴子)等范畴,但有一种较少为人熟知的设想将暗物质源自"超大质量带电引力子"(supermassive charged gravitinos)。这种设想将粒子物理的基本问题与广义相对论和超对称性更深层的理论联系起来,并提出一种极为不寻常、但在实验上可检验的探测策略。本文围绕该设想在液体闪烁体探测器(以JUNO为代表)中的可观测签名展开讲解,结合理论动机、探测机理、量子化学计算结果与模拟结论,说明如何设计搜索并评估可行性。 理论背景与动机 超大质量带电引力子的理论动机并非源自传统低能超对称模型,而是来自对标准模型费米子结构与某些极大超引力或无穷维对称代数(如超曲线Kac-Moody代数)之间巧合性的思考。在某些方案中,额外出现的引力子携带分数电荷并且由于电荷结构使其对标准模型轻子和夸克不能发生常规衰变,从而在宇宙学尺度上表现出稳定性。
稳定且极其稀疏的超大质量粒子如果分布在星系晕或太阳系附近,理论上可以充当暗物质的一部分。由于质量非常大,其个体动能相对有限,速度为非相对论性,且相互之间几乎不发生湮灭,因此在地面实验中呈现为极低通量但能够与常规物质发生电磁相互作用的罕见穿越事件。 为何选择液体闪烁体作为探测媒介 液体闪烁体探测器(例如JUNO)具有若干关键优势,使其非常适合用于寻找这类极其稀疏但带电的超大质量粒子。其一是探测器体积巨大,光学覆盖率和光子探测效率高;其二是主溶剂线性烷基苯(LAB)分子和伴随的荧光体(如PPO、波长移位剂Bis‑MSB)构成的光学级闪烁组合,具有较低能量的电子激发态阱,使得通过微小能量转移激发可产生可观的可见光输出;其三是JUNO等现代闪烁体探测器的光电倍增管(PMT)阵列与读出系统允许对时间分辨和空间重构进行精细分析。与此相反,液氩探测器的主介质激发能级普遍更高,因此在相同能量转移下产生的光子数量更少,从而降低了灵敏度。 穿越机制与时间特征 超大质量带电引力子穿越液体闪烁体时,在每一个靠近的分子处都会产生瞬时的库伦扰动,将少量能量(通常为几电子伏特尺度)传给电子体系。
这种能量多数落在束缚电子的激发态而不是电离态,因此主要以分子电子激发为主。被激发的溶剂分子将能量以非辐射途径传递给主荧光体PPO,随后PPO发生辐射跃迁,产生波长在探测器灵敏带宽内的光子。波长移位剂Bis‑MSB进一步将光子移到PMT探测效率最优的波段。由于引力子速度远低于光速(可能在几十至数百公里每秒),同一条穿越轨迹上连续激发事件随时间分布在微秒到数百微秒范围内,而典型的反中微子逆贝塔衰变事件产生的闪光仅持续数十到数百纳秒并且呈脉冲状。正是这一显著的时间尺度差异构成了区分信号与背景的核心依据:引力子产生的是"长尾"式、准连续的弱发光流,而普通中微子或宇宙射线相关事件则是短促、强烈的脉冲。 量子化学计算与截面评估 要把上述概念变为可用于模拟和触发判据的量化预言,关键在于估算单个分子被引力子激发的概率及由此产生的光子率。
为此,研究者采用高精度量子化学方法来计算分子的激发能、跃迁偶极矩和由移动点电荷所诱导的跃迁概率。由于实际的LAB是由多种异构体混合组成,为降低计算复杂度并保留物理特性,研究使用一个结构上能代表LAB芳香环局部电子态的模型分子(如3‑苯基戊烷)来近似LAB的最低单线态激发。通过ADC(2)等方法计算该体系从基态到第一激发单重态的能量与跃迁强度,并进一步计算在不同冲击参数和引力子速度下的时间演化跃迁概率。随后对随机取向的分子和不同冲量参数进行平均,得到单位路径长度下每个分子被激发的概率,以及等效的"激发截面"与平均发光间隔。 计算结果表明,在合理的参数范围内(以非相对论速度和代表性的分数电荷为前提),LAB的电子激发截面要明显大于液氩对应的数值,因此在同等条件下LAB能产出更多的可见光子。即使仅考虑到对基态到第一激发态的贡献,这一过程也能为穿越轨迹产生每微秒数量级到更高的被探测光子,总量取决于引力子的速度、局部暗物质密度及其截面大小。
量子化学计算同时显示,激发概率在冲击参数较小的近距离处达到峰值,随着距离增大快速衰减,表明实际可见光源沿轨迹呈连续、但具有统计起伏的分布。 模拟与可观测性评估 基于上述激发截面与发光率估计,研究团队在JUNO探测器的几何与光学参数基础上开展模拟,考虑PMT探测效率、面积覆盖、光子衰减和背景源(如放射性污染与PMT暗计数率)。模拟包括两类典型速度情形:太阳系束缚的慢速样本(约数十公里每秒)和银河晕典型速度(数百公里每秒)。结果显示,对于磁量级的体积与光学覆盖率,穿越轨迹即便在较靠近探测器边缘的"劣势"情形下也会产出远高于背景水平的长持续光信号。慢速引力子会在数十微秒范围内逐步点亮PMT,快速引力子则在更短但仍大于纳秒级的时间范围内产生大量光子。与放射性衰变带来的背景或PMT单独的暗计数相比,轨迹发光的时间序列和空间分布特征足以在统计学上明显区分并实现轨迹重构。
背景与误警报控制 要使搜索策略可操作,必须评估并控制各种背景源。天然放射性、内部β衰变等会产生稳定但相对较弱的光子混合;PMT暗计数在单个器件上虽可观,但在总数与时间相关性上无法复制连续的沿轨迹发光。更重要的是,逆贝塔衰变或中微子事件与宇宙线相关的信号具有短促的时间轮廓和不同的空间拓扑,可以通过时间窗和轨迹连贯性要求剔除。另一个潜在的误警源是通过慢电子或其他长寿命激发产生的散在光,但这些通常不具备沿直线、速度一致的时间-空间相关性。因此,合理设置触发门限、扩展读出时间窗以捕获微秒级发光并采用基于时间与空间协同的重构算法,可以将真实信号与背景有效分辨。 实验实现细节与必要改动 尽管探测信号本身显得明显,但实现这一搜索需要对现有探测器的电子学与软件做出若干调整。
常规的闪烁体中微子触发通常关注窄时间窗内的高强度脉冲,而寻找超大质量带电引力子则需扩展触发时间窗至十微秒到数百微秒,同时保持对低光子率的敏感并记录单光子到多光子连续序列。数据触发与存储策略应允许在更长时间尺度上保存事件,以便离线进行时间序列与空间一致性分析。还应设计配置,以避免外层水切伦科夫体积的偶然触发将这些长时序事件误当作宇宙线并被自动剔除。总之,所需的修改多为电子学设置和触发软件层面,而非硬件层面的重大改装。 潜在发现的科学意义 若在JUNO或类似规模的液体闪烁体探测器中确实观测到符合预期时间-空间分布的长时序穿越事件,其意义将极为深远。首先,它将为暗物质中存在超大质量、带电粒子的假设提供直接实验证据,这与传统暗物质检测策略截然不同。
其次,发现稳定的带电引力子将对粒子物理理论产生重大冲击,因为这类粒子的存在可能支持某些极大超引力或无穷维对称代数相关的统一设想,从而推动我们对于标准模型之外、更基础结构的重新思考。最后,即便未见信号,能在强限制下一致地排除某些质量-电荷-密度参数空间,也将为理论模型提供重要约束。 局限性与未来工作方向 目前的预测仍然存在若干重要不确定性,主要来自于引力子的质量、局部密度分布与速度分布的不确定性,以及在本工作中仅考虑到的激发过程(未全面计算电离和电子俘获等过程)。电离或电子俘获等过程可能进一步增强光子产额或导致额外可观测的信号通道,因此未来工作应将这些效应并入计算模型。此外,对LAB异构体群体更全面的统计样本、包括更高激发态的贡献、以及在更精细多体溶剂环境中考察非辐射能量转移的动力学,都将帮助提高预测的精确性。从实验角度,开展专门的触发与数据采集测试、在实际运行中开展空窗触发以收集潜在长尾信号的原始数据样本,以及与其他探测器(如DUNE)进行互相补充的协同分析,都将显著增强找到或排除该类信号的能力。
结语 寻找超大质量带电引力子的想法既富有理论野心,也具备可行的实验检验路径。以JUNO为代表的液体闪烁体探测器凭借其大体积、优良的光学性质和高时间分辨能力,正好位于这一搜索的"甜点"区域。通过跨学科结合高精度量子化学计算、精细的探测器模拟以及适当调整触发和读出策略,有望在未来几年对这种非凡的暗物质候选展开系统而有力的检验。无论结论如何,这样的探索都能推动基础物理学、实验技术与计算化学的协同发展,并可能在理解宇宙最深层次结构方面带来突破性进展。 。
