利用自由落体原子探测低能中微子与质量暗物质

我们提出一种新方法，通过其相干散射自由落体重原子并产生运动学偏移，来探测 MeV 尺度或以下的低能中微子与低质量暗物质。我们首先给出一个简单计算作为说明：对于质量数约 100 的 $10^7$ 个重原子，在 1 meV 的小反冲能量下，相应速度可达 $0.01, {\rm m/s}$ 并产生可探测的显著运动学偏移。我们随后表明，所提出的装置应能探测从 meV 到 MeV 的广阔低能中微子区域，并可比先前对亚 MeV 暗物质的限制高出数个数量级。此类方案可用于（1）探测亚 MeV 尺度暗物质：例如使用 $10^2$ 个向下发射的原子枪，由 $10^{7}$ 个原子组成、频率约 $10^3$ Hz 的 CsI 或铅团簇，已可对 1 (0.1) MeV 暗物质灵敏至 $10^{-33 (-34)}\rm{cm}^{2}$ 的散射截面水平，并超越当前限制。技术挑战包括高质量原子团簇的产生与注入。（2）首次测量 0.1-1 MeV 区域的相干中微子-原子核散射：使用 $10^4$ 个向下发射、由 $10^{11}$ 个原子组成、频率 $10^{6}$ Hz 的 CsI 团簇原子枪。可期望每年观测到来自 MeV 太阳中微子的 10 个事件。此外，（3）该方法可扩展至探测低至 eV-KeV 区域的极低能中微子，并可能探测宇宙学中微子背景，尽管仍具挑战性。