暗物质有多暗？ 上海交大牵头《自然》发表实验成果

上海交大牵头《自然》发表实验成果。（示意图／达志影像）

澎湃新闻18日报导，上海交通大学近日牵头的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，17日在《自然》期刊上线上发表。

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？

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讯号，在探测器中以氙原子闪光（S1）和电离（S2）的形式表现出来。

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在前两代实验累积的基础上升级和改进，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实验得到了大陆教育部、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专案。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、北京航空航太大学、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。