上海交大牵头、位于中国锦屏实验室的PandaX实验利用二期数据（PandaX-II），首次通过暗物质同电子的碰撞寻找轻质量暗物质。最新研究成果于2021年5月28日在国际学术杂志《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表，题目为《Search for Light Dark Matter–Electron Scattering in the PandaX-II Experiment》。这篇论文是PandaX-II发表的第六篇《物理评论快报》文章。

在过去的几十年中，暗物质直接探测实验对GeV/c²以上暗物质同原子核相互作用的限制越来越强烈。由于反冲能过低，这些实验对暗物质和自由电子碰撞的灵敏度却非常低。近年来的理论研究表明，由于原子轨道上的电子具有初始动能，若考虑轻质量暗物质同轨道电子的碰撞，将能产生可观测的信号，但反冲能相比“传统的”暗物质同原子核碰撞的keV能区显著压低。PandaX-II利用上述原子效应，通过纯电离事件显著降低阈值至80 eV，首次实现对介于keV/c²到GeV/c²质量区间的轻质量暗物质同电子碰撞的寻找。通过PandaX-II暗物质探测实验运行积累的46.9吨天数据，此次研究一共收集到1821个候选事例，在15到30 MeV/c²质量区间，得到目前世界范围内最严格的散射截面限制，如下图所示。

图1. 轻质量暗物质-电子散射截面排除曲线 (90% C.L.)

暗物质占宇宙的组分的27%，远高于普通物质的5%，暗物质的本质是物理学前沿的最基本问题之一。为了进一步寻找和研究暗物质，我国新一代四吨级的液氙探测器PandaX-4T正在锦屏实验室开展试运行。相比较PandaX-II，PandaX-4T具有更低探测阈值、更低放射性本底以及更大的曝光量，预期对多种暗物质候选者的探测灵敏度将得到显著的提升。

该学术论文的前两位作者分别为中山大学博士生程晨和上海交大博士后谢鹏伟，通讯作者为上海交大孟月助理教授。这一项研究得到了上海市科委、上海交通大学、科技部、自然科学基金委、山东大学、四川省科技厅和香港鸿文慈善基金等机构的资助。

Physical Review Letters (Vol. 126, No. 21)

URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.211803 

DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.211803