《自然》：科学家给出当前暗物质“亮度”上限

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近日，上海交通大学牵头的PandaX合作组在深度分析新一代PandaX-4T液氙探测实验数据后，对暗物质可能具有的电磁性质给出了国际最好的测量结果。5月17日，相关研究以《从氙反冲数据得出的暗物质的亮度极限》为题在线发表于《自然》。

  PandaX-4T时间投影室探测器组装。上海交大供图

宇宙中构成已知物质的基本粒子都具有电磁性质，通过光子传递相互作用。因此，这些物质都具有“亮度”，即使是电中性的粒子也不例外。比如，中子不带电，但是由于它是由带电的夸克复合而成的，所以仍有很强的残余“亮度”。即便是中微子这样的电中性基本粒子，也会由于高阶量子修正等效地产生极其微小电磁分布，导致有非零的“亮度”。

那么，宇宙中是否存在没有“亮度”的物质粒子？

大量的天文和宇宙学观测通过引力效应确认，宇宙中还存在比已知物质多5倍多的神秘物质。这些物质呈电中性，还未被人类用电磁手段“看”到，因此被称为“暗物质”。然而暗物质粒子是否存在“亮度”，一直是全世界科学家试图回答的基本问题。

2009年起，PandaX合作组利用锦屏地下实验室极低辐射本底环境，研制了三代液氙探测器（PandaX-I、PandaX-II、PandaX-4T），并开展了一系列针对暗物质和中微子的实验研究。宇宙中的暗物质可以穿透地球到达地下实验室，如果暗物质和普通物质间有相互作用，会同探测器中的氙原子碰撞并产生反冲信号，在探测器中以氙原子闪光（S1）和电离（S2）的形式表现出来。

探测器工作原理图。上海交大供图

新一代的PandaX-4T实验位于锦屏地下实验室二期实验厅，是国际首个投入运行的多吨级液氙探测实验。PandaX-4T在前两代实验积累的基础上进行了升级和改进，探测器性能显著提升，在2021年发布了首批0.63 吨·年曝光量的暗物质探测数据，并给出了暗物质和氙原子核通过极短程相互作用碰撞的最灵敏搜寻结果。

同传统假设中的极短程相互作用不同，如果暗物质具有非零的“亮度”，它们可以通过交换光子同氙原子核产生长程相互作用，呈现出独特的反冲特征。PandaX团队基于前期同美科学家合作实现的有效场方法，把不同种电磁效应转换为不同有效算符核矩阵元的组合，得到了相应的暗物质碰撞率和反冲特征。探测器中主要的本底来源于微量放射性和电子之间的碰撞，它们在S1和S2上的分布和暗物质-原子核的碰撞信号不同。团队通过刻度数据构建了可靠的暗物质信号和本底响应模型，提升了对不同暗物质电磁性质的甄别能力。

基于PandaX-4T实验首批暗物质探测数据，PandaX团队通过拟合方法对暗物质可能的电磁性质开展了系统寻找。研究表明，数据中未发现超出本底的暗物质信号：以暗物质电荷均方半径为例，信号区中预期本底事例大约是10个，而实验数据中仅发现了6个碰撞事例，符合本底的统计涨落。根据观测数据，团队对暗物质的多种电磁性质均给出了国际最强限制。值得指出的是，PandaX对暗物质电荷均方半径给出了国际首个实验上限，比中微子电荷均方半径实验上限还要小1万倍，换算成实际尺寸比质子还要小约10万倍！PandaX的研究利用了最灵敏的氙原子核反冲数据，系统的给出了当前最好水平的暗物质“亮度”上限，显著提升了对暗物质究竟有多“暗”的定量理解。