中國科學技術大學教授彭新華、副教授江敏等利用量子精密測量技術，在“軸子窗口”內成功開展軸子暗物質的直接搜尋實驗，將國際上的探測界限提升至少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。
科學家利用量子精密測量技術探測軸子暗物質誘導的自旋相關相互作用
自半個世紀前確立以來，粒子物理標準模型已經受了無數次檢驗。然而，粒子物理標準模型所描述的粒子和相互作用僅占觀測宇宙能量密度的5%。諸多超越標準模型的理論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手段。
一些特定理論模型預測軸子有可能存在于所謂“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。
該工作中，研究人員巧妙利用了兩個相距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到一百億分之一。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”內給出了迄今最強的中子-中子耦合界限，創造了新的國際最佳紀錄。
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基礎。
美國印第安納大學伯明頓分校教授Michael Snow撰寫了評述文章，稱“該工作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
