环球观焦点：科学家给出当前暗物质“亮度”上限

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本报讯（记者张双虎）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，给出了国际最好的暗物质可能具有的电磁性质测量结果。相关研究5月17日在线发表于《自然》。

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。大量天文和宇宙学观测通过引力效应确认，宇宙中存在比已知物质多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，就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。

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上的分布与暗物质-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。

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。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。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。PandaX给出了国际首个暗物质电荷均方半径实验上限，是中微子电荷均方半径实验上限的万分之一，换算成实际尺寸是质子的约十万分之一。PandaX的研究系统给出了当前最好水平的暗物质“亮度”上限，显著加深了对暗物质究竟有多“暗”的定量理解。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05982-0

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