我國學者在暗物質基本性質研究中取得進展

在國家自然科學基金項目（批準號：12090061、12222505）等資助下，上海交通大學劉江來和周寧教授團隊利用PandaX-4T液氙探測器的實驗數據，在暗物質基本性質研究中取得進展，對暗物質可能具有的電磁性質給出了國際最好的探測結果。研究成果以“從氙反沖數據得出的暗物質的亮度極限（Limits on the luminance of dark matter from xenon recoil data）”為題，于2023年5月17日在線發表于《自然》（Nature）期刊，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05982-0。

宇宙中構成已知物質的基本粒子具有電磁性質，并通過光子傳遞相互作用，這些物質都具有“亮度”，即使是電中性的粒子也不例外。大量的天文和宇宙學觀測通過引力效應證實，宇宙中存在著一種神秘物質，其數量比已知物質多出五倍以上。這些神秘物質呈電中性，迄今為止還未被人類用電磁手段所“看”到，因此被稱為“暗物質”。然而，暗物質粒子是否存在“亮度”，一直是全世界科學家試圖回答的一個基本問題。我國自主研發的位于錦屏地下實驗室的新一代PandaX-4T實驗，是國際首個投入運行的多噸級液氙探測實驗。如果暗物質具有非零的“亮度”，它們可以通過交換光子同氙原子核產生長程相互作用，呈現出獨特的反沖特征。實驗團隊基于前期同美國科學院院士WickHaxton教授合作實現的有效場方法，把不同電磁效應轉換為不同有效算符核矩陣元的組合，得到了相應的暗物質碰撞率和反沖特征；根據刻度數據構建了可靠的信號響應模型；通過似然度擬合方法對暗物質可能的電磁性質開展了系統尋找（圖1）。

根據觀測數據（圖2），PandaX對暗物質電荷均方半徑給出了國際首個實驗上限，最強的上限值 出現在暗物質質量為40倍質子質量附近，比中微子電荷均方半徑實驗上限還要小1萬倍，換算成實際尺寸比質子還要小約10萬倍！此外，PandaX對暗物質其它電磁性質的測量也比之前國際最好結果提升了3-10倍。PandaX的研究利用了最靈敏的氙原子核反沖數據，系統地給出了當前最佳水平的暗物質“亮度”上限，這一成果顯著推動了人類對暗物質究竟有多“暗”的定量理解。