中国科大利用量子精密测量技术开展暗物质的桌面式搜寻

　　中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室彭新华传授、江敏副传授等正在轴子暗物资探测方面取患上重要进展。他们哄骗量子紧密丈量技能正在“轴子窗口”（10 ueV-1 meV）内胜利开展了轴子暗物资的间接征采试验，将国际上的探测边界晋升了至多50倍。这一重要研究结果于11月4日以“New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification”为题颁发于国际闻名学术期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 133, 191801 (2024)]，并当选为“编纂保举（Editors’ Suggestion）”文章。同时，美国物理学会的Physics Viewpoint栏目颁发了由印第安纳年夜学伯明顿分校的Michael Snow传授撰写的专文评述 “Searching for Axions in Polarized Gas”。

　　粒子物理尺度模子自半个世纪前确立以来，已正在粒子加快器试验中禁受住了有数次的查验。然而，粒子物理尺度模子所形容的粒子以及彼此作用仅占领了观测宇宙能量密度的5%。诸多超出尺度模子的实践例如年夜一统实践、弦实践和超维实践等预言了轴子这类暗物资的热点候选粒子。这种粒子可以与尺度模子粒子彼此作用，惹起尺度模子粒子强劲的能级挪动。量子紧密丈量技能哄骗相关、联系关系以及纠缠等特征，可以完成对强劲能级的超活络丈量，并且凡是具有桌面尺寸，为暗物资征采供给了变更性的手腕。海内外浩繁出名高校以及科研机构基于量子紧密丈量技能正在广漠的品质规模（10^-20eV至1 eV）内开展了一系列轴子暗物资征采试验。最近几年来，Nature以及Physics Reports等国际权势巨子学术期刊接踵颁发文章指出，一些特定实践模子（例如低温格点QCD模子以及SMASH模子）预测轴子以及Z'玻色子极有可能存正在于所谓的“轴子窗口”（10 ueV-1 meV）内。然而，因为轴子暗物资的旌旗灯号极为强劲，极易被情况噪声以及经典磁场的滋扰旌旗灯号所掩饰笼罩，是以仅有少数研究团队正在这一品质规模开展过试验征采。

图1 （a）试验示用意；（b）试验约束的轴子暗物资边界

　　正在本项事情中，研究职员巧妙天时用了两个相距60毫米的极化¹²⁹Xe原子系综，正在轴子窗口内探测轴子暗物资诱导的自旋相干彼此作用（见图1a）。正在试验安装中，一个¹²⁹Xe原子系综充任自旋传感器，另外一个¹²⁹Xe原子系综作为自旋源。为了普及¹²⁹Xe核自旋的极化度或许探测活络度，研究职员正在¹²⁹Xe原子系综中混入碱金属Rb，胜利完成了对¹²⁹Xe极化矢量旌旗灯号高达145倍的缩小，构建了一个超活络的轴子暗物资探测器。试验中，对自旋源中的¹²⁹Xe原子系综施加磁场脉冲，使¹²⁹Xe原子的核自旋翻转90°，随后这些原子以其独有的拉莫尔频次绕其极化轴进动。实践预期这种进动的¹²⁹Xe原子将经由过程轴子通报自旋彼此作用给自旋传感器中的¹²⁹Xe，从而发生潜正在的轴子暗物资旌旗灯号。为了捕获这一强劲旌旗灯号，研究职员哄骗激光探针监测¹²⁹Xe传感器的极化状况，寻觅可能展现轴子暗物资存正在的弱小毛病。然而，因为轴子暗物资旌旗灯号极为强劲，经典磁场滋扰可能成为高活络辨认轴子旌旗灯号的伟大应战。为了降服这一应战，研究职员精心设计了磁屏蔽体系，胜利把经典磁场旌旗灯号按捺了10¹⁰倍。此外，他们还采纳了正在引力波探测（如LIGO）中普遍使用的最优滤波技能（optimal filtering），以最年夜限度地普及轴子暗物资旌旗灯号的信噪比。只管研究职员暂时未能发明轴子暗物资存正在的间接证据，但他们仍正在轴子窗口内给出了迄今为止最强的中子-中子耦合边界，制造了新的国际最好纪录（见图1B）。这一结果不只展示了量子紧密丈量技能正在暗物资探测范畴的伟大后劲，也为将来的相干研究奠基了松软的根蒂根基，例如彭新华传授及互助者于2023年提出了将量子传感器送到中国空间站的设法，哄骗地球作为自旋源和空间站绕地球高速静止的奇特上风，征采轴子等暗物资候选粒子诱导的别致自旋彼此作用，预期活络度将晋升6-8个数目级，详见arXiv:2410.15755。

　　论文颁发的同时，印第安纳年夜学伯明顿分校Michael Snow传授撰写了Viewpoint，评述“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.”该事情的奇特走光正在于研究职员立异性地引入了两种新技能——磁缩小技能以及旌旗灯号模板，从而将轴子暗物资的探测活络度普及约两个数目级，超出了国际最早进程度。

　　中国迷信院宏观磁共振重点试验室博士后苏昊文为该文第一作者，彭新华传授以及江敏副传授为通信作者。该研究获得了科技部、国度天然迷信基金委、中国迷信院、中国博士后基金会等赞助。

　　论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191801

　　APS Physics Viewpoint报导链接：https://physics.aps.org/articles/v17/157