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

1. 中国科学技术大学在轴子暗物质探测取得进展

中国科学技术大学的彭新华教授和江敏副教授等人在轴子暗物质探测方面取得突破。他们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。该研究成果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被选为编辑推荐文章。

2. 轴子暗物质的探测挑战

近年来，研究表明，某些理论模型预测轴子和 Z' 玻色子可能存在于“轴子窗口”。然而，轴子暗物质的信号微弱，容易被环境噪声和经典磁场的干扰信号掩盖，因此只有少数团队在这一质量范围内开展过实验搜寻。

3. 超灵敏轴子暗物质探测器

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 核自旋的极化度和探测灵敏度，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。

4. 实验过程和结果

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。理论预期表明，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。

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。

5. 研究意义

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。

（a）实验示意图；（b）实验约束的轴子暗物质界限

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