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，由上海交通大学牵头的PandaX合作团队，在对新一代PandaX-4T液体氙探测的实验数据进行深入分析后，给出了关于暗物质可能的电磁性质的国际最佳测量结果。这项成果名为“氙反冲数据对暗物质亮度的限制”，于5月17日在线发表在《自然》杂志上。
构成宇宙中已知物质的基本粒子都具有电磁性质，通过光子转移相互作用。因此，所有这些物质都具有“亮度”，即使是电中性粒子也不例外。比如一个中子是不带电的，但是因为它是由带电的夸克组成的，所以它仍然有很强的剩余“亮度”。即使是中微子这样的中性基本粒子，也会因为高阶量子修正而等效产生微小的电磁分布，如径向电荷分布、线电荷分布、环电流分布、涡旋电流分布等。，分别对应均方电荷半径、电偶极矩、磁偶极矩、无辐射零极矩等。宇宙中有没有没有亮度的物质粒子？
大量的天文和宇宙学观测证实，宇宙中的神秘物质比已知物质多5倍以上。这些物质是电中性的，没有被人类通过电磁手段“看见”，因此被称为“暗物质”。然而，暗物质粒子是否具有“亮度”一直是世界各国科学家试图回答的基本问题。
2009年以来，PandaX合作组利用金平地下实验室极低辐射背景环境，研制了三代液体氙探测器(PandaX-I、PandaX-II、PandaX-4T)，开展了一系列暗物质和中微子实验研究。宇宙中的暗物质可以穿透地球，到达地下实验室。如果暗物质与普通物质之间存在相互作用，就会与探测器中的氙原子发生碰撞，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两相氙的实验检测原理。本文图片由上海交通大学提供。
新一代PandaX-4T实验位于金平地下实验室二期的B2实验大厅。它是世界上首次多吨级液体氙探测实验，比美国同类LZ实验和欧洲XENONnT实验早一年多投入运行。PandaX-4T在前两代实验积累的基础上进行升级改进，探测器性能显著提升。2021年，第一批年曝光量0.63吨的暗物质探测数据出炉，给出了暗物质与氙核通过极短程相互作用碰撞的最灵敏搜索结果。
PandaX-4T时间投影室探测器的组装。
与传统假说中的极短程相互作用不同，如果暗物质具有非零“亮度”，它们可以通过交换光子与氙核长时间相互作用，表现出独特的反冲特性。基于与美国科学院院士Wick Haxton教授合作实现的有效场方法，PandaX团队将不同的电磁效应转化为具有不同有效算符的核矩阵元素的组合，获得了相应的暗物质碰撞率和反冲特性。探测器中的主要背景来自痕量放射性与电子的碰撞，它们在S1和S2上的分布不同于暗物质-核碰撞信号。该团队通过校准数据建立了可靠的暗物质信号和背景响应模型，提高了区分不同暗物质电磁特性的能力。
PandaX-4T首批暗物质探测数据中闪光信号(S1)和电离信号(S2，东北)的分布。
PandaX团队基于PandaX-4T实验中的第一批暗物质探测数据，通过似然拟合的方法，系统地寻找暗物质可能的电磁性质。研究表明，在数据中没有发现超越背景的暗物质信号:以暗物质电荷的均方半径为例，信号区内预期的背景情况约有10个，而实验数据中只发现6个碰撞情况，符合背景的统计涨落。根据观测数据，团队对暗物质的各种电磁性质给出了国际上最强的限制。
值得指出的是，PandaX给出了第一个暗物质电荷均方半径的国际实验上限，最强上限出现在质量为质子40倍的暗物质附近，比中微子电荷均方半径的实验上限小1万倍，实际大小比质子小10万倍左右。PandaX对暗物质其他电磁性质的测量也比之前的国际最好结果高出3-10倍。PandaX的研究利用了最敏感的氙核反冲数据，系统地给出了目前暗物质“亮度”最佳水平的上限，显著提高了对暗物质如何的定量认识。
用PandaX-4T的实验数据测量暗物质的电磁性质给出的实验上限，其中电荷半径性质的结果是世界上第一个实验上限。
上海交通大学物理与天文学院博士生宁是本文第一作者，周宁教授是本文通讯作者，研究所副所长、物理与天文学院特聘教授刘是PandaX合作组首席科学家。
PandaX实验得到了教育部、科技部、上海市和四川省的大力支持，是国家自然科学基金委批准的重大项目。北京大学、中国科学技术大学、中山大学、北京航空航天大学空航空航天大学、南开大学、复旦大学、原子能研究所、雅砻江流域水电开发有限公司等。，有90多名科研人员参加，美国、法国、西班牙和泰国的一些科研单位也参加了国际合作。
责任编辑：林子尧图片编辑：朱伟辉校对：张艳