在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：12090061、12222505)等資助下，上海交通大學(xué)劉江來和周寧教授團(tuán)隊(duì)利用PandaX-4T液氙探測器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在暗物質(zhì)基本性質(zhì)研究中取得進(jìn)展，對暗物質(zhì)可能具有的電磁性質(zhì)給出了國際最好的探測結(jié)果。研究成果以“從氙反沖數(shù)據(jù)得出的暗物質(zhì)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(fā)表于《自然》(Nature)期刊，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05982-0。

　　宇宙中構(gòu)成已知物質(zhì)的基本粒子具有電磁性質(zhì)，并通過光子傳遞相互作用，這些物質(zhì)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(xué)觀測通過引力效應(yīng)證實(shí)，宇宙中存在著一種神秘物質(zhì)，其數(shù)量比已知物質(zhì)多出五倍以上。這些神秘物質(zhì)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(zhì)”。然而，暗物質(zhì)粒子是否存在“亮度”，一直是全世界科學(xué)家試圖回答的一個(gè)基本問題。我國自主研發(fā)的位于錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的新一代PandaX-4T實(shí)驗(yàn)，是國際首個(gè)投入運(yùn)行的多噸級液氙探測實(shí)驗(yàn)。如果暗物質(zhì)具有非零的“亮度”，它們可以通過交換光子同氙原子核產(chǎn)生長程相互作用，呈現(xiàn)出獨(dú)特的反沖特征。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)基于前期同美國科學(xué)院院士WickHaxton教授合作實(shí)現(xiàn)的有效場方法，把不同電磁效應(yīng)轉(zhuǎn)換為不同有效算符核矩陣元的組合，得到了相應(yīng)的暗物質(zhì)碰撞率和反沖特征;根據(jù)刻度數(shù)據(jù)構(gòu)建了可靠的信號響應(yīng)模型;通過似然度擬合方法對暗物質(zhì)可能的電磁性質(zhì)開展了系統(tǒng)尋找(圖1)。

　　根據(jù)觀測數(shù)據(jù)(圖2)，PandaX對暗物質(zhì)電荷均方半徑給出了國際首個(gè)實(shí)驗(yàn)上限，最強(qiáng)的上限值 出現(xiàn)在暗物質(zhì)質(zhì)量為40倍質(zhì)子質(zhì)量附近，比中微子電荷均方半徑實(shí)驗(yàn)上限還要小1萬倍，換算成實(shí)際尺寸比質(zhì)子還要小約10萬倍!此外，PandaX對暗物質(zhì)其它電磁性質(zhì)的測量也比之前國際最好結(jié)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(shù)據(jù)，系統(tǒng)地給出了當(dāng)前最佳水平的暗物質(zhì)“亮度”上限，這一成果顯著推動(dòng)了人類對暗物質(zhì)究竟有多“暗”的定量理解。