暗物质到底有多“暗”？上海交通大学合作最新Nature

人们通常推测暗物质是一种电荷中性的基本粒子。然而，它可能仍然有微小的光子介导的相互作用，通过毫电荷或高阶多极相互作用，产生于高能量尺度的新物理。

2023年5月17日，上海交通大学周宁团队在Nature 在线发表题为“Limits on the luminance of dark matter from xenon recoil data”的研究论文，该研究报告了PandaX-4T氙基探测器对暗物质和氙核之间产生反冲的有效电磁相互作用的直接搜索结果。

利用这种技术，推导出了暗物质电荷半径的第一个约束，在真空中，当暗物质质量为每光速40千兆电子伏特(GeV/c2)时，其最低排除值为1.9×10−10 fm2，比中微子的限制要严格4个数量级。对电荷、磁偶极矩、电偶极矩和近极矩的限制也比以前的研究有了很大的改进，对于20-40 GeV/c2的暗物质质量，相应的最严格上限分别为2.6×10−11 e、4.8×10−10玻尔磁子、1.2×10−23 ecm和1.6×10−33 cm2。总之，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。

在过去的近100年里，大量证据表明未知的暗物质在宇宙中占据主导地位。1966年，在发现宇宙微波背景辐射后不久，Gershtein和Zeldovich 计算了早期宇宙中中微子的产生以及它们作为热遗迹被冻结的过程。这项开创性的研究在接下来的20年左右的时间里为粒子暗物质模型的快速建立奠定了基础，提出暗物质是由非重子、中性和基本粒子组成的。尽管它是中性的，但暗物质在满足所有实验限制的情况下与光子具有微小电磁耦合的可能性仍然存在。

关于暗物质电磁特性的可能性已经有了几项研究。一个明显的候选者是带电暗物质，它允许暗物质直接在树的水平上与光子耦合。这为EDGES 21cm的异常现象提供了一种可能的解决方案，但受到宇宙微波背景观测的强烈挑战。或者，暗物质可能具有非零磁偶极矩、电偶极矩、电荷半径或偶极矩，它们分别有效地映射到经典电流环路、线性电荷位移、径向电荷分布和环面电流。电荷共轭对称表明，如果暗物质是它自己的反粒子(马约拉纳粒子)，那么只有反极力矩是可能的。暗物质的这些瞬间可以通过量子修正从高能量尺度的理论中自然产生。它们产生了暗物质和标准模型粒子之间的远距离光子介导的相互作用，并且可以在有效场论框架下描述。

氙探测器中光子介导的相互作用（图源自Nature ）

该研究利用PandaX-4T液态氙实验的最新数据，报道了一项新的、灵敏的暗物质电磁特性搜索，将限制大大提高到一个新的水平。没有发现过多的事件，由此得出了对暗物质电磁特性的最强约束。与已知的中性粒子相比，暗物质电荷半径的最低上限比中微子强4个数量级。暗物质的电偶极矩和拟极矩的最低极限在中子和中微子的相应极限或期望值之间，磁矩的最低极限比中微子弱一个数量级。这些结果代表了对暗物质亮度的最新评估，并将阐明其起源和高能理论。

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实验得到了教育部、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项目。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。PandaX实验得到了中国锦屏地下实验室的长期支持，该实验室由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同建设、管理。PandaX项目和人才还得到了香港鸿文基金会、腾讯基金会和阳阳发展基金的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05982-0

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！