11日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏副教授等研究人員利用量子精密測(cè)量技術(shù)在“軸子窗口”內(nèi)成功開展了軸子暗物質(zhì)的直接搜尋實(shí)驗(yàn)，將國際上該領(lǐng)域的探測(cè)界限提升了至少50倍。研究成果日前發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。
粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的粒子和相互作用，僅占據(jù)了觀測(cè)宇宙能量密度的5%。大一統(tǒng)理論、弦理論以及超維理論等諸多超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，預(yù)言了軸子這種暗物質(zhì)的熱門候選粒子。量子精密測(cè)量技術(shù)利用相干、關(guān)聯(lián)和糾纏等特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱能級(jí)的超靈敏測(cè)量，為暗物質(zhì)搜尋提供了變革性的手段。然而，由于軸子暗物質(zhì)的信號(hào)極其微弱，極易被環(huán)境噪聲和經(jīng)典磁場(chǎng)的干擾信號(hào)所掩蓋，因此僅有少數(shù)研究團(tuán)隊(duì)在這一質(zhì)量范圍開展過實(shí)驗(yàn)搜尋。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究人員巧妙地利用了兩個(gè)相距60毫米的極化原子系綜，在軸子窗口內(nèi)探測(cè)軸子暗物質(zhì)誘導(dǎo)的自旋相關(guān)相互作用。研究人員在實(shí)驗(yàn)裝置中以一個(gè)原子系綜充當(dāng)自旋傳感器，另一個(gè)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(cè)靈敏度，他們?cè)谠酉稻C中混入堿金屬，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子系綜極化矢量信號(hào)高達(dá)145倍的放大，構(gòu)建了一個(gè)超靈敏的軸子暗物質(zhì)探測(cè)器。
然而，由于軸子暗物質(zhì)信號(hào)極其微弱，經(jīng)典磁場(chǎng)干擾可能成為高靈敏識(shí)別軸子信號(hào)的巨大挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員精心設(shè)計(jì)了磁屏蔽系統(tǒng)，成功把經(jīng)典磁場(chǎng)信號(hào)抑制了1010倍。此外，他們還采用了在引力波探測(cè)中廣泛應(yīng)用的最優(yōu)濾波技術(shù)，最大限度地提高軸子暗物質(zhì)信號(hào)的信噪比。盡管研究人員暫時(shí)未能發(fā)現(xiàn)軸子暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，但他們?nèi)栽谳S子窗口內(nèi)給出了迄今為止最強(qiáng)的中子—中子耦合界限，創(chuàng)造了新的國際最佳紀(jì)錄。
研究人員表示，這一成果不僅展示了量子精密測(cè)量技術(shù)在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域的巨大潛力，也為未來的相關(guān)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。( 吳長鋒)
