中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副教授等在軸子暗物質探測方面取得重要進展。他們利用量子精密測量技術在“軸子窗口”（10 ueV-1 meV）內成功開展了軸子暗物質的直接搜尋實驗，將國際上的探測界限提升了至少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)表于國際著名學術期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 133, 191801 (2024)]，并被選為“編輯推薦（Editors’ Suggestion）”文章。同時，美國物理學會的Physics Viewpoint欄目發(fā)表了由印第安納大學伯明頓分校的Michael Snow教授撰寫的專文評述 “Searching for Axions in Polarized Gas”。
粒子物理標準模型自半個世紀前確立以來，已在粒子加速器實驗中經受住了無數(shù)次的檢驗。然而，粒子物理標準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%。諸多超越標準模型的理論例如大一統(tǒng)理論、弦理論以及超維理論等預言了軸子這種暗物質的熱門候選粒子。這類粒子可以與標準模型粒子相互作用，引起標準模型粒子微弱的能級移動。量子精密測量技術利用相干、關聯(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，為暗物質搜尋提供了變革性的手段。國內外眾多知名高校和科研機構基于量子精密測量技術在廣闊的質量范圍（10-20eV至1 eV）內開展了一系列軸子暗物質搜尋實驗。近年來，Nature和Physics Reports等國際權威學術期刊相繼發(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。然而，由于軸子暗物質的信號極其微弱，極易被環(huán)境噪聲和經典磁場的干擾信號所掩蓋，因此僅有少數(shù)研究團隊在這一質量范圍開展過實驗搜尋。
圖1 （a）實驗示意圖；（b）實驗約束的軸子暗物質界限
在本項工作中，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，在軸子窗口內探測軸子暗物質誘導的自旋相關相互作用（見圖1a）。在實驗裝置中，一個129Xe原子系綜充當自旋傳感器，另一個129Xe原子系綜作為自旋源。為了提高129Xe核自旋的極化度或者探測靈敏度，研究人員在129Xe原子系綜中混入堿金屬Rb，成功實現(xiàn)了對129Xe極化矢量信號高達145倍的放大，構建了一個超靈敏的軸子暗物質探測器。實驗中，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90°，隨后這些原子以其特有的拉莫爾頻率繞其極化軸進動。理論預期這類進動的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，從而產生潛在的軸子暗物質信號。為了捕捉這一微弱信號，研究人員利用激光探針監(jiān)測129Xe傳感器的極化狀態(tài)，尋找可能揭示軸子暗物質存在的微小偏差。然而，由于軸子暗物質信號極其微弱，經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)，研究人員精心設計了磁屏蔽系統(tǒng)，成功把經典磁場信號抑制了1010倍。此外，他們還采用了在引力波探測（如LIGO）中廣泛應用的最優(yōu)濾波技術（optimal filtering），以最大限度地提高軸子暗物質信號的信噪比。盡管研究人員暫時未能發(fā)現(xiàn)軸子暗物質存在的直接證據(jù)，但他們仍在軸子窗口內給出了迄今為止最強的中子-中子耦合界限，創(chuàng)造了新的國際最佳紀錄（見圖1B）。這一成果不僅展示了量子精密測量技術在暗物質探測領域的巨大潛力，也為未來的相關研究奠定了堅實的基礎，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動的獨特優(yōu)勢，搜尋軸子等暗物質候選粒子誘導的新奇自旋相互作用，預期靈敏度將提升6-8個數(shù)量級，詳見arXiv:2410.15755。
論文發(fā)表的同時，印第安納大學伯明頓分校Michael Snow教授撰寫了Viewpoint，評述“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.”該工作的獨特亮點在于研究人員創(chuàng)新性地引入了兩種新技術——磁放大技術和信號模板，從而將軸子暗物質的探測靈敏度提高約兩個數(shù)量級，超越了國際最先進水平。
（中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
