我科學家利用量子精密測量技術搜尋暗物質

科技日報合肥11月11日電 （記者吳長鋒）11日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副教授等研究人員利用量子精密測量技術在“軸子窗口”內成功開展了軸子暗物質的直接搜尋實驗，將國際上該領域的探測界限提升了至少50倍。研究成果日前發表在國際學術期刊《物理評論快報》上。

粒子物理標準模型所描述的粒子和相互作用，僅佔據了觀測宇宙能量密度的5%。大一統理論、弦理論以及超維理論等諸多超越標準模型的理論，預言了軸子這種暗物質的熱門候選粒子。量子精密測量技術利用相干、關聯和糾纏等特性，可以實現對微弱能級的超靈敏測量，為暗物質搜尋提供了變革性的手段。然而，由於軸子暗物質的信號極其微弱，極易被環境噪聲和經典磁場的干擾信號所掩蓋，因此僅有少數研究團隊在這一質量範圍開展過實驗搜尋。

中國科學技術大學團隊研究人員巧妙地利用了兩個相距60毫米的極化原子系綜，在軸子窗口內探測軸子暗物質誘導的自旋相關相互作用。研究人員在實驗裝置中以一個原子系綜充當自旋傳感器，另一個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靈敏度，他們在原子系綜中混入鹼金屬，成功實現了對原子系綜極化矢量信號高達145倍的放大，構建了一個超靈敏的軸子暗物質探測器。

然而，由於軸子暗物質信號極其微弱，經典磁場干擾可能成為高靈敏識別軸子信號的巨大挑戰。為了克服這一挑戰，研究人員精心設計了磁屏蔽系統，成功把經典磁場信號抑制了1010倍。此外，他們還採用了在引力波探測中廣泛應用的最優濾波技術，最大限度地提高軸子暗物質信號的信噪比。儘管研究人員暫時未能發現軸子暗物質存在的直接證據，但他們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。

研究人員表示，這一成果不僅展示了量子精密測量技術在暗物質探測領域的巨大潛力，也為未來的相關研究奠定了堅實的基礎。