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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,给出了国际最好的暗物质可能具有的电磁性质测量结果。相关研究5月17日在线发表于《自然》。
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”,即使是电中性的粒子也不例外。大量天文和宇宙学观测通过引力效应确认,宇宙中存在比已知物质多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,就会同探测器中的氙原子碰撞并产生反冲信号,在探测器中以氙原子闪光(S1)和电离(S2)的形式表现出来。
同传统假设中的极短程相互作用不同,如果暗物质具有非零的“亮度”,它们可以通过交换光子同氙原子核产生长程相互作用,呈现出独特的反冲特征。PandaX团队基于前期同美科学家合作实现的有效场方法,把不同种电磁效应转换为不同有效算符核矩阵元的组合,得到了相应的暗物质碰撞率和反冲特征。探测器中主要的本底来源于微量放射性和电子之间的碰撞,它们在S1和S2上的分布与暗物质-原子核的碰撞信号不同。团队通过刻度数据构建了可靠的暗物质信号和本底响应模型,提升了对不同暗物质电磁性质的甄别能力。
新一代的PandaX-4T实验位于锦屏地下实验室二期实验厅,是国际首个投入运行的多吨级液氙探测实验。基于PandaX-4T实验首批暗物质探测数据,PandaX团队通过拟合方法对暗物质可能的电磁性质开展了系统寻找。研究表明,数据中未发现超出本底的暗物质信号。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限制。PandaX给出了国际首个暗物质电荷均方半径实验上限,是中微子电荷均方半径实验上限的万分之一,换算成实际尺寸是质子的约十万分之一。PandaX的研究系统给出了当前最好水平的暗物质“亮度”上限,显著加深了对暗物质究竟有多“暗”的定量理解。
相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-05982-0
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