科学家利用量子精密测量技术探测轴子暗物质诱导的自旋相关相互作用。中国科学技术大学供图

中国科学技术大学教授彭新华、副教授江敏等利用量子精密测量技术，在“轴子窗口”内成功开展轴子暗物质的直接搜寻实验，将国际上的探测界限提升至少50倍。研究成果日前发表于《物理评论快报》，并被选为“编辑推荐”文章。

自半个世纪前确立以来，粒子物理标准模型已经受了无数次检验。然而，粒子物理标准模型所描述的粒子和相互作用仅占观测宇宙能量密度的5%。诸多超越标准模型的理论预言了轴子这种暗物质的热门候选粒子。

这类粒子可以与标准模型粒子相互作用，引起标准模型粒子微弱的能级移动。量子精密测量技术利用相干、关联和纠缠等特性，可以实现对微弱能级的超灵敏测量，而且通常具备桌面尺寸，为暗物质搜寻提供了变革性手段。

一些特定理论模型预测轴子有可能存在于所谓“轴子窗口”内。然而，由于轴子暗物质的信号极其微弱，极易被环境噪声和经典磁场的干扰信号所掩盖，因此仅有少数研究团队在这一质量范围开展过实验搜寻。

该工作中，研究人员巧妙利用了两个相距60毫米的极化原子系综，在“轴子窗口”内探测轴子暗物质诱导的自旋相关相互作用。由于极化原子系综之间存在经典磁场，形成干扰，研究人员精心设计了磁屏蔽系统，成功把经典磁场信号抑制到一百亿分之一。此外，他们还采用了在引力波探测中广泛应用的最优滤波技术，以最大限度提高轴子暗物质信号的信噪比。

尽管研究人员暂时未能发现轴子暗物质存在的直接证据，但他们仍在“轴子窗口”内给出了迄今最强的中子-中子耦合界限，创造了新的国际最佳纪录。

这一成果不仅展示了量子精密测量技术在暗物质探测领域的巨大潜力，也为未来的相关研究奠定了坚实基础。

美国印第安纳大学伯明顿分校教授Michael Snow撰写了评述文章，称“该工作将轴子暗物质的探测灵敏度提高约两个数量级，超越了国际最先进水平”。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.191801

（原载于《中国科学报》 2024-11-15 第1版 要闻）