中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授彭新華和副教授江敏等在軸子暗物質(zhì)探測方面取得進(jìn)展。該研究利用量子精密測量技術(shù)在“軸子窗口”內(nèi)開展了軸子暗物質(zhì)的直接搜尋實(shí)驗(yàn)，將國際上的探測界限提升了至少50倍。近日，相關(guān)研究成果以New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，并被選為編輯推薦文章。同時，美國物理學(xué)會Physics Viewpoint欄目刊發(fā)了美國印第安納大學(xué)伯明頓分校教授Michael Snow撰寫的題為Searching for Axions in Polarized Gas的專文評述。

近年來，有研究提出，一些特定理論模型預(yù)測軸子和Z'玻色子或存在于“軸子窗口”。而軸子暗物質(zhì)的信號微弱，易被環(huán)境噪聲和經(jīng)典磁場的干擾信號掩蓋，因此僅有少數(shù)團(tuán)隊(duì)在這一質(zhì)量范圍開展過實(shí)驗(yàn)搜尋。

該研究利用兩個相距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。實(shí)驗(yàn)裝置中，一個129Xe原子系綜充當(dāng)自旋傳感器，另一個129Xe原子系綜作為自旋源。為了提高129Xe核自旋的極化度或探測靈敏度，研究在129Xe原子系綜中混入堿金屬Rb，實(shí)現(xiàn)了對129Xe極化矢量信號145倍放大，構(gòu)建了超靈敏的軸子暗物質(zhì)探測器。

實(shí)驗(yàn)中，對自旋源中的129Xe原子系綜施加磁場脈沖，使129Xe原子的核自旋翻轉(zhuǎn)90°，進(jìn)而這些原子以特有的拉莫爾頻率繞其極化軸進(jìn)動。理論預(yù)期提出，這類進(jìn)動的129Xe原子將通過軸子傳遞自旋相互作用至自旋傳感器中的129Xe，從而產(chǎn)生潛在的軸子暗物質(zhì)信號。為了捕捉這一微弱信號，研究利用激光探針監(jiān)測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。而軸子暗物質(zhì)信號極其微弱，使得經(jīng)典磁場干擾可能成為高靈敏識別軸子信號的挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究設(shè)計了磁屏蔽系統(tǒng)，將經(jīng)典磁場信號抑制了1010倍。同時，研究采用引力波探測應(yīng)用的最優(yōu)濾波技術(shù)，以最大限度地提高軸子暗物質(zhì)信號的信噪比。盡管研究暫時未發(fā)現(xiàn)軸子暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，仍在“軸子窗口”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。

上述研究展示了量子精密測量技術(shù)在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的潛力，為未來的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院、中國博士后科學(xué)基金會等的支持。

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