科學家利用新技術首次突破國際公認最強宇宙天文學界限

*【環球網科技綜合報道】*11月23日消息，記者從中國科學技術大學官網瞭解到， 近日，中國科大中科院微觀磁共振重點實驗室彭新華研究組和德國亥姆霍茲研究所的Dmitry Budker教授組合作，開發出一種新型的超靈敏量子精密測量技術，利用該新技術進一步開展了暗物質的實驗直接搜尋，實驗結果比先前的國際最好水平提升至少5個數量級，並首次突破國際公認最強的宇宙天文學界限。

據介紹，天文學觀測表明，宇宙物質組成中的絕大部分為暗物質，佔到了約85%，而我們所熟悉的普通物質只佔約15%。但是人們對於暗物質到底是什麼，暗物質粒子質量及其性質等，卻知之甚少。目前暗物質的熱門候選粒子包括弱相互作用大質量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）、軸子（axion），暗光子（dark photon）等。為了尋找這些神秘的暗物質粒子，各個國家紛紛佈局了一系列國家級甚至世界級暗物質探測的實驗探測計劃，譬如DAMPE、PandaX、CDEX、ADMX和CAST等。然而，儘管科學家們做出了不懈的努力，目前還沒有找到暗物質存在的直接證據。

彭新華研究組利用氣態氙和銣原子混合蒸氣室，發明了具有超高靈敏度和“桌面式”的新型核自旋量子測量技術，實現了迄今為止國際最佳靈敏度的核自旋磁傳感器。而量子精密測量技術可以實現超高靈敏度的磁場探測，這也為暗物質搜尋提供了變革性手段。

大量的理論預測暗物質與原子核會發生極微弱的相互作用，這種相互作用相當於在原子核自旋上施加一個微小磁場（又稱為“贗磁場”）。利用超靈敏磁場探測裝置可以檢驗這一微小的贗磁場，以此來尋找暗物質粒子存在的跡象。

彭新華研究組巧妙地利用自旋放大器來放大暗物質產生的“贗磁場”，大大提高了暗物質的搜尋靈敏度，完成了feV-peV低能區暗物質的實驗直接搜尋。獲得的暗物質與原子核耦合強度界限優於國際最佳界限（由CASPEr組2019年公佈）至少5個數量級，並且首次突破宇宙天文學界限（SN1987A），如圖2所示。相比傳統大型暗物質科學裝置，整個儀器設備只需桌面尺寸的空間佈局。

據瞭解，三位審稿人均高度評價該工作“I think the result is of great interest for the larger physics community”（這個結果將引起物理學家的廣泛興趣）“ This is a significant advance for the field”（軸子搜尋領域的重要進展）“the result is original and will be of interest for physics community working in axion detection and astrophysical observations.”（該原創工作將激發軸子搜尋和天文觀測領域的廣泛興趣）。這一成果充分展示了量子精密測量技術與暗物質探測的交叉融合，有望激發宇宙天文學、粒子物理學和原子分子物理學等多個基礎科學的廣泛興趣。

對此，中國科學技術大學方面表示，彭新華研究組一直致力於核磁共振體系量子信息處理的實驗研究，在量子計算，量子模擬，量子控制，量子精密測量等重要課題方面開展了系統性的研究，取得了一系列對推動學科領域發展有實質性貢獻的研究成果。研究組經歷了從依賴於商品化儀器，到自主搭建量子精密測量平台，以此為世界科技前沿難題提供“獨闢蹊徑”的解決思路。特別是近期將量子精密測量技術用於搜尋新粒子，取得了多項國際領先水平的成果（如圖3），提升我國在新粒子探測領域的國際地位。

據悉，相關研究成果以“Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers”為題在線發表於國際知名學術期刊《Nature Physics》上。