新研究顯著提升類軸子粒子耦合限制

類軸子粒子是假想的暗物質候選粒子，其核心特性是可與光和電子發生極微弱的相互作用。恒星核心如同高溫高壓的熔爐，可通過光子轉化、光子聚變、康普頓散射以及軔致輻射等多種物理過程產生質量在千電子伏特（keV）量級的類軸子粒子。其中，運動速度較低的類軸子粒子會被恒星引力捕獲，并被長期束縛在恒星軌道附近形成“暗物質云”，進而不斷積累。這些被“囚禁”的類軸子粒子隨后會衰變成兩個光子，其能量等于類軸子質量的一半，在X射線波段表現為獨特的單色譜線信號。此前，有研究通過分析太陽的數據，獲得對類軸子粒子的精確限制。

近期，中國科學院紫金山天文臺研究員蔡岳霖和范一中團隊在類軸子粒子探測領域取得進展。研究人員利用高靈敏度X射線觀測數據，顯著提升了類軸子-光子耦合強度上限，較此前最佳限制提高了約兩個數量級。

研究指出，盡管太陽具有距離地球近、易于探測的優勢，但由于其輻射流量過高，一些高靈敏度的軟X射線衛星難以對太陽進行觀測。南門二雙星系統因距離地球適中、年齡老，是探測keV類軸子的理想探測目標。該團隊精確計算了軔致輻射等關鍵產生過程及其在引力阱中的累積效應，并利用錢德拉和eROSITA衛星高靈敏度X射線觀測數據，在0.2–10keV能段精細搜尋這類特征譜線。盡管未發現顯著的類軸子衰變信號，但該研究給出了迄今最強的限制。進一步，在類軸子-電子耦合較弱時，研究人員提升了質量在0.25–5keV范圍的類軸子-光子耦合強度上限。與此前太陽X射線、球狀星團氦閃星、超新星SN 2023ixf及中子星并合GW170817等的最佳天文限制相比，提高了約兩個數量級。

相關研究成果發表在《物理評論快報》上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院及江蘇省等的支持。

論文鏈接