暗物质（DM）是宇宙中一种神秘的物质成分，其存在通过引力效应得到证实，但粒子性质仍是未解之谜。近年来，随着弱相互作用大质量粒子（WIMP）探测的推进，研究人员开始探索更轻的暗物质候选者及其新型探测信号。其中，费米子暗物质的吸收过程作为一种全新探测机制，正受到越来越广泛的关注。
什么是费米子暗物质吸收？
暗物质探测策略可分为两大类：散射和吸收。传统散射探测依赖于暗物质粒子将动能沉积到探测器靶材中，而吸收过程则关注暗物质粒子将其质量能量完全沉积到靶材中。以往吸收信号的研究主要集中于玻色子暗物质，而对费米子暗物质吸收的系统研究仍处于早期阶段。
费米子暗物质吸收过程可分为两类主要信号：
- 中性流信号：暗物质粒子（χ）与靶核（N）作用后转化为中微子（ν），同时靶核获得反冲动能，过程表示为 χ + N → ν + N。
- 带电流信号：暗物质诱导稳定核素发生β衰变，例如 χ + n → p + e⁻，产生电子、核反冲及可能的后续衰变信号。
中性流吸收的信号特征与探测
中性流过程由维度六有效算符驱动，例如：
O_NC = 1/Λ² [χ̄γμP_Rν] (n̄γμn + p̄γμp) + h.c.其中Λ为抑制尺度。该过程产生的核反冲能量为：
E_R ≈ mχ² / (2M)M为靶核质量。与弹性散射相比，吸收过程的反冲能量显著提高（约1/v²倍），使得亚GeV质量区的暗物质探测成为可能。
关键特征包括：
- 能量沉积峰值尖锐，位于E_R = mχ²/(2M)处，宽度仅约0.1%
- 不同同位素产生多个关联峰值，峰值间距由核质量差决定
- 无速度调制效应，信号率与暗物质速度分布无关
当前和未来实验对中性流信号的灵敏度覆盖广泛参数空间（见图1）。例如：
- 低质量区（mχ < MeV）：需氢、锂等轻靶材，能量阈值eV–100 eV量级
- 高质量区（mχ > MeV）：CRESST、EDELWEISS、XENON等实验可探测核反冲信号
带电流吸收：暗物质诱导β衰变
带电流过程通过算符：
O_CC = 1/Λ² [χ̄γμe] [n̄γμp] + h.c.实现暗物质诱导的β⁻衰变：χ + ᴬZX → e⁻ + ᴬZ₊₁X⁺∗。该过程要求暗物质质量满足：
mχ > m_th^β ≡ MᴬZ₊₁ + m_e - MᴬZ信号包含多重关联事件：
- 高能电子（能量≈mχ - m_th^β）
- 核反冲（能量≈(mχ - m_th^β)²/(2M)）
- 激发态子核的退激γ射线
- 可能的长寿命后续衰变
这种多信号关联为背景抑制提供了独特优势。实验灵敏度取决于靶材同位素组成和阈值能量（图2）。CUORE、XENON、EXO-200等实验均具备探测此类信号的能力。
暗物质稳定性与宇宙学考量
费米子暗物质通过吸收算符必然发生衰变。例如：
- 单光子衰变 χ → νγ 可通过谱线搜索探测
- 多光子衰变 χ → νγγγ 受弥漫光子背景约束
在简单UV完备模型中，衰减率与mχ的高次幂相关（如Γ ∝ mχ¹³）。可探测吸收信号通常要求较轻的暗物质（mχ ≲ MeV），并通过精细调节抵消UV和IR贡献以符合间接探测限制。
宇宙学产生机制方面，轻暗物质可通过热产生相对论退耦，再借助晚衰变重粒子的稀释实现观测丰度。需注意避免破坏大爆炸核合成（BBN）等宇宙学观测。
实验探测前景与挑战
当前挑战：
- 低能阈值探测技术开发（eV–meV量级）
- 多信号关联分析算法优化
- 本底抑制与峰值分辨能力提升
未来方向：
- 新型靶材开发（如氢化材料、锂化合物）
- 集体激发模式吸收效应的深入研究
- 多实验联合分析策略
费米子暗物质吸收探测开辟了暗物质搜索的新前沿，其独特信号特征和广泛参数空间覆盖使其成为互补传统探测的重要方法。
常见问题
问：费米子暗物质吸收与散射探测有何本质区别？
答：散射探测暗物质动能沉积，反冲能量与速度平方相关；吸收探测质量能量沉积，反冲能量与质量平方相关，对轻暗物质更敏感。
问：为什么吸收信号能探测更轻的暗物质？
答：吸收过程的反冲能量E_R ∝ mχ²，而散射E_R ∝ v²μ²/M。在低质量区，吸收信号反冲能量显著高于散射，更易被探测。
问：如何区分不同同位素产生的吸收峰值？
答：各同位素峰值位置E_R,j = mχ²/(2M_j)严格由核质量决定，通过测量峰值间距和高度比可进行分辨和验证。
问：暗物质衰变约束如何规避？
答：可通过精细调节UV和IR贡献抵消，或引入味依赖耦合抑制衰减率。具体机制依赖UV完备模型构建。
问：带电流信号有哪些独特优势？
答：提供电子、核反冲、γ射线和后续衰变的多重关联信号，极大增强信号可信度和本底抑制能力。
问：宇宙学产生机制是否与观测矛盾？
答：通过相对论退耦加晚衰变稀释机制，可在全部质量区间实现观测丰度，同时避免与BBN等观测冲突。
费米子暗物质吸收探测为我们提供了探索暗物质粒子性质的新窗口。随着探测技术的不断进步，这一领域有望在暗物质搜寻中发挥越来越重要的作用。