我科学家利用量子精密测量技术搜寻暗物质

IT之家 11 月 12 日消息，中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副教授等研究人员利用量子精密测量技术在“轴子窗口”（10 ueV-1 meV）内成功开展了轴子暗物质的直接搜寻实验，将国际上的探测界限提升了至少 50 倍。

相关研究成果已于 11 月 4 日发表于国际著名学术期刊《物理评论快报（Physical Review Letters）》上（IT之家附 DOI:10.1103/PhysRevLett.133.191801），并被选为“编辑推荐”文章。

论文发表的同时，美国物理学会的 Physics Viewpoint 栏目发表了由印第安纳大学伯明顿分校的 Michael Snow 教授撰写的专文评述，他认为“该工作的独特亮点在于研究人员创新性地引入了两种新技术 —— 磁放大技术和信号模板，从而将轴子暗物质的探测灵敏度提高约两个数量级，超越了国际最先进水平”。

粒子物理标准模型自半个世纪前确立以来，已在粒子加速器实验中经受住了无数次的检验。然而，粒子物理标准模型所描述的粒子和相互作用仅占据了观测宇宙能量密度的 5%。

诸多超越标准模型的理论例如大一统理论、弦理论以及超维理论等预言了轴子这种暗物质的热门候选粒子。这类粒子可以与标准模型粒子相互作用，引起标准模型粒子微弱的能级移动。

量子精密测量技术利用相干、关联和纠缠等特性，可以实现对微弱能级的超灵敏测量，而且通常具备桌面尺寸，为暗物质搜寻提供了变革性的手段。国内外众多知名高校和科研机构基于量子精密测量技术在广阔的质量范围（10-20eV 至 1 eV）内开展了一系列轴子暗物质搜寻实验。

近年来，Nature 和 Physics Reports 等国际权威学术期刊相继发表文章指出，一些特定理论模型（例如高温格点 QCD 模型和 SMASH 模型）预测轴子和 Z' 玻色子极有可能存在于所谓的“轴子窗口”（10 ueV-1 meV）内。然而，由于轴子暗物质的信号极其微弱，极易被环境噪声和经典磁场的干扰信号所掩盖，因此仅有少数研究团队在这一质量范围开展过实验搜寻。

研究人员巧妙地利用了两个相距 60 毫米的极化 129Xe 原子系综，在轴子窗口内探测轴子暗物质诱导的自旋相关相互作用。研究人员在实验装置中以一个原子系综充当自旋传感器，另一个原子系综作为自旋源，为了提高原子系综核自旋的极化度或者探测灵敏度，他们在原子系综中混入碱金属，成功实现了对原子系综极化矢量信号高达 145 倍的放大，构建了一个超灵敏的轴子暗物质探测器。

然而，由于轴子暗物质信号极其微弱，经典磁场干扰可能成为高灵敏识别轴子信号的巨大挑战。为了克服这一挑战，研究人员精心设计了磁屏蔽系统，成功把经典磁场信号抑制了 1010 倍。此外，他们还采用了在引力波探测中广泛应用的最优滤波技术，最大限度地提高轴子暗物质信号的信噪比。尽管研究人员暂时未能发现轴子暗物质存在的直接证据，但他们仍在轴子窗口内给出了迄今为止最强的中子 — 中子耦合界限，创造了新的国际最佳纪录。

研究人员表示，这一成果不仅展示了量子精密测量技术在暗物质探测领域的巨大潜力，也为未来的相关研究奠定了坚实的基础。