近日，北京大学物理学院技术物理系李奇特、周辰和李强研究团队在宇宙线测量与暗物质探测研究中取得重要进展。研究团队利用高精度宇宙射线缪子散射成像探测系统，对次级宇宙线成分进行了精确的测量和分析，并首创一种利用宇宙线缪子寻找暗物质的新方法，为轻质量暗物质的直接探测开辟了新的实验窗口。相关研究成果以《基于缪子散射成像的宇宙线成分测量与亲缪子暗物质探测》(Probing Cosmic Ray Composition and Muonphilic Dark Matter via Muon Tomography)为题，于2026年4月14日发表于国际顶级物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)，并被选为美国物理学会科学推广文章(APS Promotion)。
暗物质在宇宙中的总质量远超普通物质，对暗物质本质的探索，是当代物理学面临的核心挑战之一。近年来，随着传统高质量暗物质模型受到越来越严格的实验限制，国际研究前沿开始聚焦质量较轻、与标准模型粒子耦合较弱的新型暗物质候选粒子。其中，一类“亲缪子暗物质”(Muonphilic Dark Matter)模型提出，暗物质可能与缪子发生特定相互作用。如果存在这种相互作用，缪子在传播过程中可能会因与暗物质散射而产生可观测的轨迹偏转。宇宙线缪子作为天然可得的缪子来源，为这类探测提供了独特的探针。要利用宇宙线缪子进行暗物质研究，首先需要精确掌握地表次级宇宙线的详细成分。关于海平面处电子等粒子成分的精确测量仍然十分有限，历史数据存在亦较大不确定性。
针对上述科学问题，北京大学物理学院技术物理系李奇特高级工程师、周辰助理教授和李强教授发起的PKMU（Probing and Knocking with Muon）缪子研究团队在李奇特、叶沿林教授等人2012年研发的亚毫米位置分辨阻性板气体室（RPC）探测器技术[Nucl. Instr. Meth. A 663,22(2012); Chin. Phys. C 37,016002(2013)]的基础上, 优化构建了缪子散射成像探测系统。通过精确记录宇宙线粒子在四层探测器中的轨迹位置，研究人员可以重建粒子在测量系统中的散射角度，从而开展宇宙线粒子散射过程的精密测量。
图1 PKMU缪子散射成像探测系统示意图
在2025年进行的为期63天的连续观测中，实验共记录并分析了约118万个有效宇宙线散射事例。研究团队结合宇宙线模拟程序与Geant4粒子模拟，对不同粒子类型的散射角分布进行了系统建模，并采用多模板拟合方法，从实验数据中提取海平面处次级宇宙线的粒子组成。结果表明，对限定散射角分析区域的电子成分的测量精度可达到约2%的水平，该创新方法为宇宙线物理研究和相关应用提供了重要实验基础。
图2 在限定分析区域（散射点位于22×22×22 cm³体积内，散射角范围为0.05-0.5 rad）内测得的次级宇宙线粒子散射角分布。上图黑色为实验观测数据，红色为拟合后的模拟总分布；深蓝、浅蓝和洋红分别表示模拟中的缪子、电子及其他粒子贡献；橙色线是模拟的1GeV缪子暗物质散射角分布。下图显示实验数据与模拟宇宙射线结果的比值。
在此基础上，研究团队进一步创新提出并验证了利用宇宙线缪子散射探测暗物质的实验方法。该方法利用天然宇宙线高能缪子作为探针，通过分析缪子散射角分布，寻找可能由缪子与暗物质弹性散射产生的信号。基于实验数据，研究人员在质量范围0.1-10 GeV的暗物质参数空间内，对缪子-暗物质弹性散射截面给出了新的实验限制。研究展示了该方法在探测轻质量亲缪子暗物质方面的潜在灵敏度。
该研究首次在实验上展示了利用宇宙线缪子散射开展暗物质探测的可行性,与当前国际主流暗物质搜寻实验形成良好互补，同时也证明了缪子散射探测系统在宇宙线研究中的重要潜力。此项工作从概念提出到实验搭建、数据分析，均由中国研究团队原创完成。
北京大学物理学院和核物理与核技术全国重点实验室的PKMU缪子研究团队致力于利用缪子探索超越标准模型的新物理现象。除本次发表的暗物质直接探测方法外，团队还在缪子探测与成像技术、暗玻色子搜寻、带电轻子味破坏以及缪子-电子散射量子纠缠等方向开展系统研究并取得了一系列成果[Phys. Rev. D 110, 016017 (2024); Mod. Phys. Lett. A 2530008 (2025); J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 52 075002 (2025); Phys. Rev. D 111, 116018 (2025); 科学通报 71卷, 4期: 894 - 903 (2026); J. Appl. Phys. 139, 014903 (2026); Phys. Rev. D 113, 072008 (2026)]。未来，研究团队将依托国内外大型缪子源设施和本地宇宙线缪子测量平台开展更深入的实验研究，为暗物质搜寻、新物理探索及量子力学等基础问题研究开辟创新的实验研究途径。
北京大学物理学院研究生刘承恩为论文第一作者，本科生张荣峰、研究生王子健等人为共同作者，李奇特高级工程师、周辰助理教授和李强教授为论文通讯作者。中国科学技术大学沈仲弢副研究员等人提供了数字获取系统技术支持。该研究得到国家自然科学基金以及核物理与核技术全国重点实验室开放课题项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1103/5jh7-fxf4
