[交大智慧]上海交大主导暗物质实验自旋相关研究取得世界领先水平

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由上海交大主导的PandaX-II液氙暗物质探测实验最近公布了暗物质和核子自旋相关作用的最新研究结果。该结果在《物理评论快报》上作为编辑推荐于近日发表。  

大量天文和宇宙观测证据表明，构成宇宙质量的27%是一种全新未知的物质，被统称为暗物质。主流理论认为，暗物质很有可能是由一类被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）的粒子组成。WIMP和原子核的相互作用通常可以分成自旋无关和自旋相关两种。在这两种作用下，WIMP分别和原子核质量和原子核自旋发生耦合。PandaX-II实验采用了500公斤液氙作为靶核来探测暗物质。在自然氙的9种稳定的同位素中，有七种原子核总自旋为零，两种的自旋不为零，其中，Xe-129（自旋=1/2）和Xe-131（自旋=3/2）的天然丰度分别是26%和21%左右。因此，PandaX-II实验对WIMP和原子核的两种相互作用都可以探测。PandaX-II实验2016年7月公布了首批99天的观测结果，其数据量相当于利用3.3万公斤的氙原子观测1天。这批数据对自旋无关的作用截面给出了暗物质直接探测领域当时世界最强的限制，文章已经于去年9月在《物理评论快报》上以封面文章发表。  

利用同样的数据，PandaX-II合作组对自旋相关的暗物质散射开展分析，在大于10 GeV的WIMP质量区间得到了直接探测实验中对WIMP-中子自旋相关作用截面的世界最好的限制。这些结果和加速器上的实验优势互补（通常对低质量区间结果更优），强烈限制了暗物质粒子的新物理模型。PandaX-II同时也对WIMP-中子和WIMP-质子的有效作用强度的组合给出了最新限制，和其他类型的暗物质探测实验（比如PICO，采用氟作为靶核）优势互补。  

上海交通大学符长波特别研究员为该论文的第一作者。通讯作者为上海交通大学杨勇特别研究员和山东大学博士生燕斌斌。PandaX实验得到教育部、上海交通大学、中国锦屏地下实验室以及其他合作单位的大力支持。科技部、中国自然科学基金委，以及上海市科委和香港鸿文基金会都对PandaX项目有重要资助。  

文章链接 ： http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.071301