中國科學技術大學教授彭新華和副教授江敏等在軸子暗物質探測方面取得進展。該研究利用量子精密測量技術在“軸子窗口”內開展了軸子暗物質的直接搜尋實驗，將國際上的探測界限提升了至少50倍。近日，相關研究成果以New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification為題，發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，并被選為編輯推薦文章。同時，美國物理學會Physics Viewpoint欄目刊發了美國印第安納大學伯明頓分校教授Michael Snow撰寫的題為Searching for Axions in Polarized Gas的專文評述。
近年來，有研究提出，一些特定理論模型預測軸子和Z'玻色子或存在于“軸子窗口”。而軸子暗物質的信號微弱，易被環境噪聲和經典磁場的干擾信號掩蓋，因此僅有少數團隊在這一質量范圍開展過實驗搜尋。
該研究利用兩個相距60毫米的極化129Xe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。實驗裝置中，一個129Xe原子系綜充當自旋傳感器，另一個129Xe原子系綜作為自旋源。為了提高129Xe核自旋的極化度或探測靈敏度，研究在129Xe原子系綜中混入堿金屬Rb，實現了對129Xe極化矢量信號145倍放大，構建了超靈敏的軸子暗物質探測器。
實驗中，對自旋源中的129Xe原子系綜施加磁場脈沖，使129Xe原子的核自旋翻轉90°，進而這些原子以特有的拉莫爾頻率繞其極化軸進動。理論預期提出，這類進動的129Xe原子將通過軸子傳遞自旋相互作用至自旋傳感器中的129Xe，從而產生潛在的軸子暗物質信號。為了捕捉這一微弱信號，研究利用激光探針監測129Xe傳感器的極化狀態，尋找可能揭示軸子暗物質存在的微小偏差。而軸子暗物質信號極其微弱，使得經典磁場干擾可能成為高靈敏識別軸子信號的挑戰。為了克服這一挑戰，研究設計了磁屏蔽系統，將經典磁場信號抑制了1010倍。同時，研究采用引力波探測應用的最優濾波技術，以最大限度地提高軸子暗物質信號的信噪比。盡管研究暫時未發現軸子暗物質存在的直接證據，仍在“軸子窗口”內給出了迄今為止最強的中子-中子耦合界限，創造了新的國際最佳紀錄。
上述研究展示了量子精密測量技術在暗物質探測領域的潛力，為未來的相關研究奠定了基礎。
研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、中國博士后科學基金會等的支持。
論文鏈接
APS Physics Viewpoint報道鏈接
（a）實驗示意圖；（b）實驗約束的軸子暗物質界限
本文鏈接：科學家利用量子精密測量技術開展暗物質桌面式搜尋http://www.sq15.cn/show-12-408-0.html
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