【项目名称】

从氙反冲数据得到的暗物质亮度极限

【项目负责人】

 周宁

 【项目完成人】

周宁，宁旭阳，刘江来，陶奕（PandaX合作组） 

【项目完成单位】

物理与天文学院/李政道研究所

【项目简介】

精确的宇宙学观测表明暗物质的存在，但是其基本属性仍旧是个谜，比如暗物质究竟有多暗？位于锦屏地下实验室的新一代PandaX-4T实验，是国际首个投入运行的多吨级液氙探测实验，探测器性能显著提升。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，可以针对性开展测量。研究团队基于前期同美国科学院院士Wick Haxton教授合作实现的有效场方法，把不同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；根据刻度数据构建了可靠的信号响应模型；通过似然度拟合方法对暗物质可能的电磁性质开展了系统寻找。研究团队分析PandaX-4T的观测数据，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！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。本研究利用了最灵敏的氙原子核反冲数据，系统地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，该结果于2023年5月17日在线发表在《Nature》上【Nature 618 (2023) 7963, 47-50】。作为PandaX-4T实验装置的首批成果之一，该成果显著加深了人们对暗物质基本电磁性质的定量理解，推进了人类对暗物质的认知。