中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副教授等在轴子暗物质探测方面取得重要进展。他们利用量子精密测量技术在“轴子窗口”（10 ueV-1 meV）内成功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。这一重要研究成果于11月4日以“New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification”为题发表于国际著名学术期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 133, 191801 (2024)]，并被选为“编辑推荐（Editors’ Suggestion）”文章。同时，美国物理学会的Physics Viewpoint栏目发表了由印第安纳大学伯明顿分校的Michael Snow教授撰写的专文评述 “Searching for Axions in Polarized Gas”。
粒子物理标准模型自半个世纪前确立以来，已在粒子加速器实验中经受住了无数次的检验。然而，粒子物理标准模型所描述的粒子和相互作用仅占据了观测宇宙能量密度的5%。诸多超越标准模型的理论例如大一统理论、弦理论以及超维理论等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的手段。国内外众多知名高校和科研机构基于量子精密测量技术在广阔的质量范围（10-20eV至1 eV）内开展了一系列轴子暗物质搜寻实验。近年来，Nature和Physics Reports等国际权威学术期刊相继发表文章指出，一些特定理论模型（例如高温格点QCD模型和SMASH模型）预测轴子和Z'玻色子极有可能存在于所谓的“轴子窗口”（10 ueV-1 meV）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。
图1 （a）实验示意图；（b）实验约束的轴子暗物质界限
在本项工作中，研究人员巧妙地利用了两个相距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（见图1a）。在实验装置中，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核自旋的极化度或者探测灵敏度，研究人员在129Xe原子系综中混入碱金属Rb，成功实现了对129Xe极化矢量信号高达145倍的放大，构建了一个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°，随后这些原子以其特有的拉莫尔频率绕其极化轴进动。理论预期这类进动的129Xe原子将通过轴子传递自旋相互作用给自旋传感器中的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，研究人员利用激光探针监测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。然而，由于轴子暗物质信号极其微弱，经典磁场干扰可能成为高灵敏识别轴子信号的巨大挑战。为了克服这一挑战，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了1010倍。此外，他们还采用了在引力波探测（如LIGO）中广泛应用的最优滤波技术（optimal filtering），以最大限度地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为止最强的中子-中子耦合界限，创造了新的国际最佳纪录（见图1B）。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的基础，例如彭新华教授及合作者于2023年提出了将量子传感器送到中国空间站的想法，利用地球作为自旋源以及空间站绕地球高速运动的独特优势，搜寻轴子等暗物质候选粒子诱导的新奇自旋相互作用，预期灵敏度将提升6-8个数量级，详见arXiv:2410.15755。
论文发表的同时，印第安纳大学伯明顿分校Michael Snow教授撰写了Viewpoint，评述“The work of Su and colleagues is distinguished by their application of two new developments—magnetic amplification and signal templates—which enabled them to improve the sensitivity of their search for spin-dependent exotic interactions by about 2 orders of magnitude beyond the existing state of the art.”该工作的独特亮点在于研究人员创新性地引入了两种新技术——磁放大技术和信号模板，从而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。
中国科学院微观磁共振重点实验室博士后苏昊文为该文第一作者，彭新华教授和江敏副教授为通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、中国博士后基金会等资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191801
APS Physics Viewpoint报道链接：https://physics.aps.org/articles/v17/157
（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）
