11 月 12 日消息，中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副教授等研究人員利用量子精密測量技術(shù)在“軸子窗口”（10 ueV-1 meV）內(nèi)成功開展了軸子暗物質(zhì)的直接搜尋實驗，將國際上的探測界限提升了至少 50 倍。

相關(guān)研究成果已于 11 月 4 日發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報（Physical Review Letters）》上（附 DOI:10.1103/PhysRevLett.133.191801），并被選為“編輯推薦”文章。

論文發(fā)表的同時，美國物理學(xué)會的 Physics Viewpoint 欄目發(fā)表了由印第安納大學(xué)伯明頓分校的 Michael Snow 教授撰寫的專文評述，他認(rèn)為“該工作的獨特亮點在于研究人員創(chuàng)新性地引入了兩種新技術(shù) —— 磁放大技術(shù)和信號模板，從而將軸子暗物質(zhì)的探測靈敏度提高約兩個數(shù)量級，超越了國際最先進(jìn)水平”。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型自半個世紀(jì)前確立以來，已在粒子加速器實驗中經(jīng)受住了無數(shù)次的檢驗。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移動。

量子精密測量技術(shù)利用相干、關(guān)聯(lián)和糾纏等特性，可以實現(xiàn)對微弱能級的超靈敏測量，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。國內(nèi)外眾多知名高校和科研機(jī)構(gòu)基于量子精密測量技術(shù)在廣闊的質(zhì)量范圍（10-20 eV 至 1 eV）內(nèi)開展了一系列軸子暗物質(zhì)搜尋實驗。

近年來，Nature 和 Physics Reports 等國際權(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 QCD 模型和 SMASH 模型）預(yù)測軸子和 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)的信號極其微弱，極易被環(huán)境噪聲和經(jīng)典磁場的干擾信號所掩蓋，因此僅有少數(shù)研究團(tuán)隊在這一質(zhì)量范圍開展過實驗搜尋。

研究人員巧妙地利用了兩個相距 60 毫米的極化 129Xe 原子系綜，在軸子窗口內(nèi)探測軸子暗物質(zhì)誘導(dǎo)的自旋相關(guān)相互作用。研究人員在實驗裝置中以一個原子系綜充當(dāng)自旋傳感器，另一個原子系綜作為自旋源，為了提高原子系綜核自旋的極化度或者探測靈敏度，他們在原子系綜中混入堿金屬，成功實現(xiàn)了對原子系綜極化矢量信號高達(dá) 145 倍的放大，構(gòu)建了一個超靈敏的軸子暗物質(zhì)探測器。

然而，由于軸子暗物質(zhì)信號極其微弱，經(jīng)典磁場干擾可能成為高靈敏識別軸子信號的巨大挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員精心設(shè)計了磁屏蔽系統(tǒng)，成功把經(jīng)典磁場信號抑制了 1010 倍。此外，他們還采用了在引力波探測中廣泛應(yīng)用的最優(yōu)濾波技術(shù)，最大限度地提高軸子暗物質(zhì)信號的信噪比。盡管研究人員暫時未能發(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)造了新的國際最佳紀(jì)錄。

研究人員表示，這一成果不僅展示了量子精密測量技術(shù)在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的巨大潛力，也為未來的相關(guān)研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。