近日，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，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，于2023年5月17日《自然》（nature）期刊上在线发表。

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”。

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。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。在前两代实验积累的基础上进行了升级和改进，PandaX-4T探测器性能显著提升。

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的限制。值得指出的是，PandaX对暗物质电荷均方半径给出了国际首个实验上限，最强的上限值——1.9×10-10fm2——出现在暗物质质量为40倍质子质量附近，比中微子电荷均方半径实验上限还要小1万倍，换算成实际尺寸比质子还要小约10万倍！PandaX对暗物质其他电磁性质的测量也比之前国际最好结果提升了3-10倍。PandaX的研究利用了最灵敏的氙原子核反冲数据，系统的给出了当前最好水平的暗物质“亮度”上限，显著提升了对暗物质究竟有多“暗”的定量理解。

上海交通大学物理与天文学院博士生宁旭阳为该论文的第一作者，学院周宁教授为该论文的通讯作者，李政道研究所副所长、物理与天文学院特聘教授刘江来为PandaX合作组的首席科学家。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、北京航空航天大学、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。

文/广州日报·新花城记者 周裕妩

　广州日报·新花城编辑 陈庆辉