PandaX-4T对中微子自相互作用和暗物质自相互作用的限制：理论-实验合作最新成果

近日，上海交通大学李政道研究所和物理与天文学院PandaX合作组携手讲席教授Michael Ramsey-Musolf的理论团队，利用PandaX实验中氙-136的双贝塔衰变实验数据，对轻标量媒介粒子参与的中微子自相互作用进行了直接实验限制。特别是在0.8–2 MeV质量区间，实验结果为当前国际上最严格的实验室约束。此外，结合宇宙微波背景辐射数据，研究团队还对该标量媒介粒子参与的暗物质自相互作用给出了严格限制。相关成果于2026年6月18日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

这是PandaX实验组与理论学者深入合作的又一个重要成果，充分体现了PandaX双贝塔衰变研究在探索早期宇宙、中微子和暗物质基本性质，以及更广泛的超出标准模型的物理学领域中的巨大潜力和意义。

在双中微子双贝塔衰变中，原子核内两个中子同时转变为两个质子，释放两个电子和两个反中微子。由于中微子几乎不在探测器中沉积能量，实验主要测量双电子的总能谱。若中微子为马约拉纳粒子，原本出现在末态的两个反中微子可以变成中间态粒子，导致实验上预期观测到双电子总能量为固定值。本研究提出一种新的轻标量粒子ϕ，可与中微子相互耦合，导致衰变末态可能额外发射出粒子ϕ。该粒子或逃逸，或衰变为不可见粒子，从而在能谱中产生能量缺失的谱型畸变。

图1 双贝塔衰变过程中释放一个标量粒子的费曼图

该标量粒子可能衰变为两个暗物质粒子

研究团队构建了一个实标量粒子模型，该标量粒子同时连接中微子与暗物质：它既可诱导双贝塔衰变中的标量粒子发射，也会带来中微子的自相互作用、暗物质的自相互作用、以及中微子与暗物质间的相互作用。通过计算带标量粒子发射的双贝塔衰变相空间因子及核矩阵元，利用PandaX-4T实验中氙-136双贝塔衰变数据对相应的电子能谱形变进行了搜寻，团队在90%置信水平下对中微子-标量粒子耦合常数g_νϕ给出了实验限制。先前有理论学者提出，中微子之间的自相互作用可能为当前学界高度关注的“哈勃危机”提供解释—即早期宇宙与晚期宇宙中哈勃常数测量结果不一致的反常现象。若中微子自相互作用来自于交换标量粒子，PandaX实验结果则明确在2 MeV以下的质量区间中排除了这种可能性。进一步，若该标量粒子参与暗物质自相互作用，则中微子-标量粒子和暗物质-标量粒子耦合会共同导致中微子-暗物质散射，影响早期宇宙小尺度扰动演化，并受宇宙微波背景及物质功率谱观测约束。研究团队将PandaX-4T的限制与宇宙学观测结果相结合，得到对暗物质-标量粒子耦合常数g_χϕ的实验限制。本研究为连接双贝塔衰变、“哈勃危机”、暗物质自相互作用和早期宇宙演化提供了全新的实验约束。

图2 PandaX-4T实验数据能谱拟合结果

图3 PandaX-4T实验对中微子-标量粒子耦合常数g_νϕ的实验限制，在0.8–2 MeV的质量区间内达到了世界最好结果

该论文的第一作者为上海交通大学巴黎卓越工程师学院助理研究员李涛，通讯作者为李政道研究所22级博士生钟易宏、博士后Van Que Tran(已出站)和讲席教授Michael Ramsey-Musolf，李政道研究所、物理与天文学院和暗物质物理全国重点实验室的刘江来教授为PandaX实验的首席科学家。PandaX合作组由上海交通大学发起并主导，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（雅砻江水电）等。PandaX实验得到教育部、上海交通大学以及合作组单位的长期支持，国家自然科学基金委、科技部、上海市、四川省、香港鸿文基金会、新基石科学基金、腾讯基金会和阳阳发展基金对本项目有重要资助。本研究工作得到了中国锦屏地下实验室的大力协助。

论文原文：https://journals.aps.org/prl/accepted/10.1103/pn9y-g5k7

作者： 李政道研究所和物理与天文学院 供稿单位： 李政道研究所