【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏副教授等在軸子暗物質(zhì)探測(cè)方面取得重要進(jìn)展。他們利用量子精密測(cè)量技術(shù)在“軸子窗口”(10 ueV-1 meV)內(nèi)成功開展了軸子暗物質(zhì)的直接搜尋實(shí)驗(yàn)，將國(guó)際上的探測(cè)界限提升了至少50倍。這一重要研究成果于11月4日以“New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification”為題發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 133, 191801 (2024)]，并被選為“編輯推薦(Editors’ Suggestion)”文章。同時(shí)，美國(guó)物理學(xué)會(huì)的Physics Viewpoint欄目發(fā)表了由印第安納大學(xué)伯明頓分校的Michael Snow教授撰寫的專文評(píng)述 “Searching for Axions in Polarized Gas”。
 

　　粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型自半個(gè)世紀(jì)前確立以來，已在粒子加速器實(shí)驗(yàn)中經(jīng)受住了無數(shù)次的檢驗(yàn)。然而，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的粒子和相互作用僅占據(jù)了觀測(cè)宇宙能量密度的5%。諸多超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論例如大一統(tǒng)理論、弦理論以及超維理論等預(yù)言了軸子這種暗物質(zhì)的熱門候選粒子。這類粒子可以與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子相互作用，引起標(biāo)準(zhǔn)模型粒子微弱的能級(jí)移動(dòng)。量子精密測(cè)量技術(shù)利用相干、關(guān)聯(lián)和糾纏等特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱能級(jí)的超靈敏測(cè)量，而且通常具備桌面尺寸，為暗物質(zhì)搜尋提供了變革性的手段。國(guó)內(nèi)外眾多知名高校和科研機(jī)構(gòu)基于量子精密測(cè)量技術(shù)在廣闊的質(zhì)量范圍(10-20eV至1 eV)內(nèi)開展了一系列軸子暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)。近年來，Nature和Physics Reports等國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊相繼發(fā)表文章指出，一些特定理論模型(例如高溫格點(diǎn)QCD模型和SMASH模型)預(yù)測(cè)軸子和Z'玻色子極有可能存在于所謂的“軸子窗口”(10 ueV-1 meV)內(nèi)。然而，由于軸子暗物質(zhì)的信號(hào)極其微弱，極易被環(huán)境噪聲和經(jīng)典磁場(chǎng)的干擾信號(hào)所掩蓋，因此僅有少數(shù)研究團(tuán)隊(duì)在這一質(zhì)量范圍開展過實(shí)驗(yàn)搜尋。
 

圖1 (a)實(shí)驗(yàn)示意圖；(b)實(shí)驗(yàn)約束的軸子暗物質(zhì)界限
 

　　在本項(xiàng)工作中，研究人員巧妙地利用了兩個(gè)相距60毫米的極化129Xe原子系綜，在軸子窗口內(nèi)探測(cè)軸子暗物質(zhì)誘導(dǎo)的自旋相關(guān)相互作用(見圖1a)。在實(shí)驗(yàn)裝置中，一個(gè)129Xe原子系綜充當(dāng)自旋傳感器，另一個(gè)129Xe原子系綜作為自旋源。為了提高129Xe核自旋的極化度或者探測(cè)靈敏度，研究人員在129Xe原子系綜中混入堿金屬Rb，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)129Xe極化矢量信號(hào)高達(dá)145倍的放大，構(gòu)建了一個(gè)超靈敏的軸子暗物質(zhì)探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)自旋源中的129Xe原子系綜施加磁場(chǎng)脈沖，使129Xe原子的核自旋翻轉(zhuǎn)90°，隨后這些原子以其特有的拉莫爾頻率繞其極化軸進(jìn)動(dòng)。理論預(yù)期這類進(jìn)動(dòng)的129Xe原子將通過軸子傳遞自旋相互作用給自旋傳感器中的129Xe，從而產(chǎn)生潛在的軸子暗物質(zhì)信號(hào)。為了捕捉這一微弱信號(hào)，研究人員利用激光探針監(jiān)測(cè)129Xe傳感器的極化狀態(tài)，尋找可能揭示軸子暗物質(zhì)存在的微小偏差。然而，由于軸子暗物質(zhì)信號(hào)極其微弱，經(jīng)典磁場(chǎng)干擾可能成為高靈敏識(shí)別軸子信號(hào)的巨大挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員精心設(shè)計(jì)了磁屏蔽系統(tǒng)，成功把經(jīng)典磁場(chǎng)信號(hào)抑制了1010倍。此外，他們還采用了在引力波探測(cè)(如LIGO)中廣泛應(yīng)用的最優(yōu)濾波技術(shù)(optimal filtering)，以最大限度地提高軸子暗物質(zhì)信號(hào)的信噪比。盡管研究人員暫時(shí)未能發(fā)現(xiàn)軸子暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，但他們?nèi)栽谳S子窗口內(nèi)給出了迄今為止最強(qiáng)的中子-中子耦合界限，創(chuàng)造了新的國(guó)際最佳紀(jì)錄(見圖1B)。這一成果不僅展示了量子精密測(cè)量技術(shù)在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域的巨大潛力，也為未來的相關(guān)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，例如彭新華教授及合作者于2023年提出了將量子傳感器送到中國(guó)空間站的想法，利用地球作為自旋源以及空間站繞地球高速運(yùn)動(dòng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，搜尋軸子等暗物質(zhì)候選粒子誘導(dǎo)的新奇自旋相互作用，預(yù)期靈敏度將提升6-8個(gè)數(shù)量級(jí)，詳見arXiv:2410.15755。
 

　　論文發(fā)表的同時(shí)，印第安納大學(xué)伯明頓分校Michael Snow教授撰寫了Viewpoint，評(píng)述“The work of Su and colleagues is distinguished by their application of two new developments—magnetic amplification and signal templates—which enabled them to improve the sensitivity of their search for spin-dependent exotic interactions by about 2 orders of magnitude beyond the existing state of the art.”該工作的獨(dú)特亮點(diǎn)在于研究人員創(chuàng)新性地引入了兩種新技術(shù)——磁放大技術(shù)和信號(hào)模板，從而將軸子暗物質(zhì)的探測(cè)靈敏度提高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，超越了國(guó)際最先進(jìn)水平。
 

　　中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后蘇昊文為該文第一作者，彭新華教授和江敏副教授為通訊作者。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)博士后基金會(huì)等資助。