近年来天文学和宇宙学的观测结果强烈暗示着暗物质的存在，同时暗物质这一理论模型也对我们理解物质的起源及宇宙的演化具有重要意义，因此，对暗物质的直接探测是当前物理学界一个炙手可热的课题。近几十年来，对暗物质的直接探测实验，包括基于液态稀有气体的实验XENON、PandaX、DarkSide等，以及基于固体探测器的实验包括SENSEI、DAMIC、EDEIWEISS和CDMS等都在如火如荼地展开。

暗物质质量依据不同的理论分布在一个十分宽广的范围内，从极重的原初黑洞到极轻的中微子都是暗物质可能的候选者。此前，暗物质直接探测实验所针对的质量范围多集中在GeV到TeV量级，也就是弱相互作用重粒子（WIMP）所在的质量范围。近年来，为了扩宽实验的灵敏区域，对更轻质量的暗物质进行探测，暗物质-电子相互作用这一物理通道也被重视起来，并被应用在各大实验中。

图1. 暗物质-电子相互作用示意图

对于固体探测器中暗物质-电子相互作用事例率的计算，最棘手的是晶体形状因子的计算。传统的计算手段，主要包括半解析的近似方法，以及基于第一性原理进行的密度泛函理论（DFT）计算。这些方法只能计算极低能区的预期能谱，其能量范围被限制在~50eV的水平，低于高纯锗探测器的典型阈值（几百个eV）。最近，坦纳·特里克（Tanner Trickle）等人发展了一套新的计算方法，在DFT计算的基础上，利用全电子重建的方法恢复DFT计算波函数内的高动量成分，并结合半解析方法对远离禁带的电子能态进行分析，使得暗物质-电子相互作用能谱的计算范围延伸到了~keV的水平。基于实验的高曝光量及低本底的优势，清华大学工程物理系牵头的中国暗物质实验合作组（China Dark matterEXperiment，CDEX）成功地对暗物质-电子相互作用进行了分析，并给出了有竞争力的结果。

图2.暗物质-电子相互作用预期能谱。左图：锗探测器内部电子能态示意图，不同能态被分为核电子（“core, c”），价带（“valence, v”），导带（“conduction, cd”）与自由电子（“free, f”）。中图：不同跃迁过程贡献的预期能谱，能量范围扩展到高纯锗探测器能量阈值以上。右图：卷积能量分辨率后的预期能谱以及CDEX-10实验能谱

CDEX合作组基于CDEX-10的205.4公斤天的数据，建立了基于高纯锗探测器的暗物质-电子相互作用的分析方法，首次给出了基于高纯锗探测器的暗物质-电子相互作用直接探测结果。在世界主流的基于固体探测器的暗物质-电子相互作用直接探测实验中，本工作给出了在>100 MeV/c²的质量范围内国际领先的限制结果，证实了高纯锗探测器对暗物质-电子相互作用进行直接探测的可行性，也展示了高纯锗探测器这一技术路线在暗物质-电子的物理通道方面所具有的巨大潜力。

图3.CDEX-10给出的暗物质-电子相互作用灵敏度限制。左图：重媒介子情况下CDEX-10给出的排除线，在质量大于100MeV的暗物质质量区间内，给出了国际上主流的基于固体探测器的暗物质-电子相互作用直接探测实验中，对暗物质-电子相互作用截面最灵敏的限制；右图：轻媒介子情况下CDEX-10给出的排除线

11月21日，上述研究成果在国际物理学知名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上在线发表，题为“基于CDEX-10实验的对sub-GeV质量的暗物质与电子相互作用的限制”（Constraints on Sub-GeV Dark Matter–Electron Scattering from the CDEX-10Experiment）。

清华大学工程物理系2019级博士生张震宇为论文第一作者，工程物理系岳骞研究员和杨丽桃助理研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项、国家杰出青年科学基金等项目的经费资助，以及清华大学暗物质实验平台和自主科研计划的经费支持。