11 月 12 日消息，中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副教授等研究人員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。
相關研究成果已于 11 月 4 日發(fā)表于國際著名學術期刊《物理評論快報（Physical Review Letters）》上（IT之家附 DOI:10.1103/PhysRevLett.133.191801），并被選為“編輯推薦”文章。
論文發(fā)表的同時，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，他認為“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”。
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(jīng)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（10-20 eV 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(jīng)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。
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。研究人員在實驗裝置中以一個原子系綜充當自旋傳感器，另一個原子系綜作為自旋源，為了提高原子系綜核自旋的極化度或者探測靈敏度，他們在原子系綜中混入堿金屬，成功實現(xiàn)了對原子系綜極化矢量信號高達 145 倍的放大，構建了一個超靈敏的軸子暗物質探測器。
然而，由于軸子暗物質信號極其微弱，經(jīng)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(jīng)典磁場信號抑制了 1010 倍。此外，他們還采用了在引力波探測中廣泛應用的最優(yōu)濾波技術，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。
研究人員表示，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。
