暗物质有多“暗”？《自然》发表上海交大牵头的这项实验成果

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。该成果以“从氙反冲数据得出的暗物质的亮度极限”（Limits on the luminance of dark matter from xenon recoil data）为题，5月17日在《自然》期刊上在线发表。

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”（luminance），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，所以仍然有着很强的残余“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，譬如径向电荷分布、线性电荷分布、环电流分布、涡环电流分布等，分别对应电荷均方半径（mean-square charge radius）、电偶极矩（electric dipole）、磁偶极矩（magnetic dipole）、无辐射零极矩（anapole）等，导致非零的“亮度”。那宇宙中是否存在没有“亮度”的物质粒子？

(相关资料图)

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。

PandaX两相型氙实验探测原理。本文图片均为 上海交通大学 提供

新一代的PandaX-4T实验位于锦屏地下实验室二期的B2实验厅，是国际首个投入运行的多吨级液氙探测实验，比同类的美国的LZ实验和欧洲的XENONnT实验提前一年多时间投入运行。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 吨每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。

PandaX-4T时间投影室探测器的组装。

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团队基于前期同美国科学院院士Wick Haxton教授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。

PandaX-4T首批暗物质探测数据闪光信号（S1）和电离信号（S2，ne）的分布。

基于PandaX-4T实验首批暗物质探测数据，PandaX团队通过似然度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的限制。

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，最强的上限值出现在暗物质质量为40倍质子质量附近，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对暗物质其他电磁性质的测量也比之前国际最好结果提升了3-10倍。PandaX的研究利用了最灵敏的氙原子核反冲数据，系统地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。

利用PandaX-4T实验数据测量暗物质电磁性质给出的实验上限，其中电荷均方半径（charge radius）性质的结果为国际首个实验上限。

上海交通大学物理与天文学院博士生宁旭阳为该论文的第一作者，学院周宁教授为该论文的通讯作者，李政道研究所副所长、物理与天文学院特聘教授刘江来为PandaX合作组的首席科学家。

PandaX实验得到了教育部、科技部、上海市、四川省的大力支持，是自然科学基金委立项的重大项目。PandaX实验的合作单位包括山东大学、北京大学、中国科学技术大学、中山大学、北京航空航天大学、南开大学、复旦大学、原子能科学研究院以及雅砻江流域水电开发有限公司等，共有90多位科研工作者参与，美国、法国、西班牙、泰国部分科研单位也参与国际合作。