暗物質有多暗? 上海交大牽頭《自然》發表實驗成果

暗物質有多暗? 上海交大牽頭《自然》發表實驗成果

上海交大牽頭《自然》發表實驗成果。(示意圖/達志影像)

澎湃新聞18日報導,上海交通大學近日牽頭的PandaX合作組,在深度分析新一代PandaX-4T液氙探測實驗數據後,對暗物質可能具有的電磁性質給出了國際最好的測量結果。該成果以〈從氙反衝數據得出的暗物質的亮度極限〉(Limits on the luminance of dark matter from xenon recoil data)爲題,17日在《自然》期刊上線上發表。

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宇宙中構成已知物質的基本粒子都具有電磁性質,通過光子傳遞相互作用。因此,這些物質都具有「亮度」(luminance),即使是電中性的粒子也不例外。比如,中子不帶電,但是由於它是由帶電的夸克複合而成的,所以仍然有着很強的殘餘「亮度」。即便是中微子這樣的電中性基本粒子,也會由於高階量子修正等效地產生極其微小電磁分佈,譬如徑向電荷分佈、線性電荷分佈、環電流分佈、渦環電流分佈等,分別對應電荷均方半徑(mean-square charge radius)、電偶極矩(electric dipole)、磁偶極矩(magnetic dipole)、無輻射零極矩(anapole)等,導致非零的「亮度」。那宇宙中是否存在沒有「亮度」的物質粒子?

大量的天文和宇宙學觀測通過引力效應確認,宇宙中還存在比已知物質多5倍多的神秘物質。這些物質呈電中性,還未被人類用電磁手段「看」到,因此被稱爲「暗物質」。然而暗物質粒子是否存在「亮度」,一直是全世界科學家試圖回答的基本問題。

2009年起,PandaX合作組利用錦屏地下實驗室極低輻射本底環境,研製了三代液氙探測器(PandaX-I、PandaX-II、PandaX-4T),並開展了一系列針對暗物質和中微子的實驗研究。宇宙中的暗物質可以穿透地球到達地下實驗室,如果暗物質和普通物質間有相互作用,會同探測器中的氙原子碰撞併產生反衝訊號,在探測器中以氙原子閃光(S1)和電離(S2)的形式表現出來。

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新一代的PandaX-4T實驗位於錦屏地下實驗室二期的B2實驗廳,是國際首個投入運行的多噸級液氙探測實驗,比同類的美國的LZ實驗和歐洲的XENONnT實驗提前一年多時間投入運行。PandaX-4T在前兩代實驗累積的基礎上升級和改進,探測器性能顯著提升,在2021年發佈了首批0.63 噸每年曝光量的暗物質探測數據,並給出了暗物質和氙原子核通過極短程相互作用碰撞的最靈敏搜尋結果。

PandaX實驗得到了大陸教育部、科技部、上海市、四川省的大力支持,是自然科學基金委立項的重大專案。PandaX實驗的合作單位包括山東大學、北京大學、中國科學技術大學、中山大學、北京航空航太大學、南開大學、復旦大學、原子能科學研究院以及雅礱江流域水電開發有限公司等,共有90多位科研工作者參與,美國、法國、西班牙、泰國部分科研單位也參與國際合作。

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