COSINE-100全数据集挑战DAMA/LIBRA年度调制信号：钠碘化物晶体暗物质探测的关键突破

针对DAMA/LIBRA合作组25年来宣称观测到的年度调制信号（0.0191±0.0020 counts day?1 kg?1 keV?1），COSINE-100合作组使用相同钠碘化物(NaI)晶体探测器开展6.4年模型无关验证。通过61.3 kg有效质量、改进的能量校准和时变背景建模，在1-3 keVee能区获得0.0004±0.0050的调制幅度，以>3σ置信度否定DAMA结果，为解决暗物质探测领域长期争议提供关键证据。

　　

在宇宙学观测中，暗物质被认为构成了宇宙中大部分物质，而弱相互作用大质量粒子(WIMPs)是最受关注的候选者之一。过去三十年间，科学家们通过观测WIMPs与原子核的弹性散射来直接探测暗物质，但始终缺乏确凿证据。其中，意大利DAMA/LIBRA实验组使用钠碘化物(NaI)晶体探测器，持续25年报告观测到年度调制信号——事件率随地球绕太阳公转呈现周期性变化，这与标准晕模型预测的暗物质信号特征相符。然而，使用不同靶材料的实验均未能复现该结果，形成了暗物质探测领域著名的"DAMA之谜"。

为破解这一谜题，国际学界启动了多个使用相同NaI靶材料的验证实验。韩国阳阳地下实验室(Y2L)的COSINE-100实验就是其中关键一环，该实验采用106 kg低本底掺铊NaI晶体阵列，浸泡在2200升液体闪烁体中，外围包裹铜、铅和塑料闪烁体屏蔽层。研究团队通过6.4年数据采集（有效曝光量358 kg·年），完成了对DAMA结果最全面的模型无关检验。

关键技术方法包括：1) 采用与DAMA相同的线性能量校准（keV_ee单位），使用²⁴¹Am源的59.5 keVγ峰；2) 多层感知器(MLP)神经网络实现0.7 keV阈值的事件筛选；3) 贝叶斯框架下的马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)分析；4) 考虑钠核反冲淬灭因子差异（DAMA报告0.3 vs COSINE测量0.13）；5) 10种时变背景组分的精确建模。

【实验设置】部分显示，COSINE-100采用八边形NaI(Tl)晶体阵列，有效质量61.3 kg，运行期间探测器稳定性达95.6%。通过监测⁴⁰K的3.2 keV和²²Na的0.87 keV特征X射线峰确保能量校准稳定性。

【数据分忻】揭示：1) 在1-3 keV_ee能区，测得调制幅度0.0004±0.0050 counts day^?1 kg^?1 keV_ee^?1，与DAMA结果相差3.57σ；2) 在核反冲等效能区6.67-20 keV_nr（对应DAMA的2-6 keV_ee），结果为0.0013±0.0027，差异达3.23σ；3) 相浮搜索中二维后验分布同样排除DAMA信号；4) 考虑碘核反冲（QF=0.09）的交叉验证仍显示2.80σ不一致。

【讨论】部分强调，这是首次在相同靶材料、可比能量校准条件下，以>3σ置信度否定DAMA年度调制信号。研究通过三个关键设计确保结论可靠性：1) 采用DAMA相同的keV_ee线性校准而非比例校准；2) 覆盖6.4年完整数据周期；3) 同时检验电子反冲和核反冲解释。结果表明DAMA观测到的调制信号不太可能源于暗物质相互作用，为终结这一持续25年的科学争议提供了决定性证据。

该成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，不仅推动了暗物质探测技术的发展，更展示了科学验证的重要性。随着COSINE-100升级版(COSINE-100U)在更深的Yemilab实验室部署，未来将继续探索低质量WIMPs信号，为解开宇宙暗物质之谜提供新视角。