PandaX两相型氙实验探测暗物质电磁性质的原理

图1 Pandax两相氙实验探测暗物质电磁性质的原理图

图2 PandaX-4T实验比较了暗物质电荷的平均半径、电偶极距、磁偶极距、无辐射零极矩的限制(蓝色)和国际同类实验，以及与中微子和中子相对应的电磁性能。

国家自然科学基金项目(批准号:12090061、在12222505)的资助下，上海交通大学刘江来和周宁教授团队利用Pandax-4T液氙探测器的实验数据，在研究暗物质的基本性质方面取得了进展，为暗物质的电磁性质提供了世界上最好的探测结果。“从氙反冲数据中获得的暗物质的亮度极限”（Limits on the luminance of dark matter from xenon recoil data）2023年5月17日，“自然”在线发表（Nature）期刊，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05982-0。

构成宇宙中已知物质的基本粒子具有电磁性质，并通过光子传递相互作用。这些物质具有“亮度”，即使是电中性粒子也不例外。通过引力效应证实，宇宙中有一种神秘的物质，其数量是已知物质的五倍多。这些神秘物质是电中性的，到目前为止还没有被人类用电磁手段“看到”，所以被称为“暗物质”。然而，暗物质颗粒是否有“亮度”一直是世界各地科学家试图回答的基本问题。位于锦屏地下实验室的新一代PandaX-4T实验是中国首个投入运行的多吨级液氙探测实验。如果暗物质具有非零亮度，它们可以通过交换光子与氙原子核相互作用，呈现出独特的反冲特性。基于早期与美国科学院院士WickHaxton教授合作实现的有效场方法，实验团队将不同的电磁效应转化为不同有效计算符核矩阵元的组合，获得相应的暗物质碰撞率和反冲特性；根据刻度数据构建可靠的信号响应模型；系统搜索系统搜索暗物质可能的电磁性质（图1）。

根据观测数据(图2)，Pandax给出了世界上第一个实验上限，暗物质电荷均方半径最强 暗物质质量接近40倍质子质量，比中微子电荷平均半径试验上限小1万倍，实际尺寸比质子小10万倍！此外，Pandax对暗物质其他电磁性质的测量也比以往国际最佳结果增加了3-10倍。Pandax的研究采用了最敏感的氙原子核反冲数据，系统地给出了目前最佳水平的暗物质“亮度”上限，显著促进了人类对暗物质“暗”的定量理解。