科学家利用量子精密测量技术开展暗物质桌面式搜寻
中国科学技术大学教授彭新华和副教授江敏等在轴子暗物质探测方面取得进展。该研究利用量子精密测量技术在“轴子窗口”内开展了轴子暗物质的直接搜寻实验，将国际上的探测界限提升了至少50倍。近日，相关研究成果以New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification为题，发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被选为编辑推荐文章。同时，美国物理学会Physics Viewpoint栏目刊发了美国印第安纳大学伯明顿分校教授Michael Snow撰写的题为Searching for Axions in Polarized Gas的专文评述。
近年来，有研究提出，一些特定理论模型预测轴子和Z'玻色子或存在于“轴子窗口”。而轴子暗物质的信号微弱，易被环境噪声和经典磁场的干扰信号掩盖，因此仅有少数团队在这一质量范围开展过实验搜寻。
该研究利用两个相距60毫米的极化129Xe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。实验装置中，一个129Xe原子系综充当自旋传感器，另一个129Xe原子系综作为自旋源。为了提高129Xe核自旋的极化度或探测灵敏度，研究在129Xe原子系综中混入碱金属Rb，实现了对129Xe极化矢量信号145倍放大，构建了超灵敏的轴子暗物质探测器。
实验中，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°，进而这些原子以特有的拉莫尔频率绕其极化轴进动。理论预期提出，这类进动的129Xe原子将通过轴子传递自旋相互作用至自旋传感器中的129Xe，从而产生潜在的轴子暗物质信号。为了捕捉这一微弱信号，研究利用激光探针监测129Xe传感器的极化状态，寻找可能揭示轴子暗物质存在的微小偏差。而轴子暗物质信号极其微弱，使得经典磁场干扰可能成为高灵敏识别轴子信号的挑战。为了克服这一挑战，研究设计了磁屏蔽系统，将经典磁场信号抑制了1010倍。同时，研究采用引力波探测应用的最优滤波技术，以最大限度地提高轴子暗物质信号的信噪比。尽管研究暂时未发现轴子暗物质存在的直接证据，仍在“轴子窗口”内给出了迄今为止最强的中子-中子耦合界限，创造了新的国际最佳纪录。
上述研究展示了量子精密测量技术在暗物质探测领域的潜力，为未来的相关研究奠定了基础。
研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、中国博士后科学基金会等的支持。
论文链接
APS Physics Viewpoint报道链接
（a）实验示意图；（b）实验约束的轴子暗物质界限
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