利用量子精密測量技術開展暗物質的桌面式搜尋

中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室教授彭新華、副教授江敏等利用量子精密測量技術，在“軸子窗口”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。研究成果日前發表于《物理評論快報》，并被選為“編輯推薦”文章。

利用量子精密測量技術探測軸子暗物質誘導的自旋相互作用圖。中國科大供圖

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、關聯和糾纏等特性，可以實現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。

近年來，國際權威學術期刊相繼發表文章指出，一些特定理論模型預測軸子有可能存在于所謂的“軸子窗口”內。然而，由于軸子暗物質的信號極其微弱，極易被環境噪聲和經典磁場的干擾信號所掩蓋，因此僅有少數研究團隊在這一質量范圍開展過實驗搜尋。

此次工作中，研究人員巧妙地利用了兩個相距60毫米的極化原子系綜，在軸子窗口內探測軸子暗物質誘導的自旋相關相互作用。由于極化原子系綜之間存在經典磁場，形成干擾，研究人員精心設計了磁屏蔽系統，成功把經典磁場信號抑制為一百億分之一。此外，他們還采用了在引力波探測中廣泛應用的最優濾波技術，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現軸子暗物質存在的直接證據，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，創造了新的國際最佳紀錄。

研究人員介紹，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。

印第安納大學伯明頓分校教授Michael Snow撰寫了專文評述，稱“該工作的獨特亮點在于研究人員創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量級，超越了國際最先進水平。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.191801