【中国科大科学家搜寻暗物质引领国际水平，这两项技术是“显眼包”！】11月4日，中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副教授等在国际著名学术期刊《Physical Review Letters》，以“New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification”为题发表团队重磅研究成果，团队利用量子精密测量技术在“轴子窗口”内成功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。

【1】暗物质到底是什么？

想必大家看到这个标题已经开始脑袋里坐飞机——云里雾里了，在了解这项研究成果有多牛叉之前，咱们先来理一理物理学家整天在研究什么，暗物质到底是什么。

物理，古称“格物致理”，乃探究自然万物之运行规律与内在法则之学问。其研究范畴广泛，自宇宙星辰之宏大，至粒子微观之精微，皆为其研究对象。

20世纪60年代，当时科学家们开始思考如何将已知的基本粒子和它们之间的相互作用纳入一个统一的理论框架中，于是诞生了粒子物理学的标准模型。谢尔登·格拉肖在1960年发现了电弱相互作用，而史蒂文·温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆在1967年引入了希格斯机制，形成了我们现在看到的标准模型形式。粒子物理标准模型是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论，它隶属于量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。

暗物质最早是天文学家观测宇宙时“发现”的。20世纪30年代，瑞士天文学家茨威基研究发现：在星系团中，看得见的星系占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。这一结论意味着星系团中有某种神秘物质被人忽略。

起初，多数人并不认同茨威基的观点。直到20世纪70年代，美国女天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）通过观测仙女座大星系中恒星的转动速率，发现星系边缘的恒星和星系中心的恒星以几乎相同的速度绕中心旋转。这一现象与牛顿万有引力定律相悖，因为按照该定律，星系外围的恒星应该受到较小的引力，从而绕星系中心的转动速度较慢。

科学家由此推测：外圈的那些能被直接观测到的、数出来的星星数目变少了，但其实内部的物质数量并没有减少，引力也没有变小，只不过没被观测到而已。这些天文观测直接看不到的物质被称为暗物质。

【2】探测暗物质的两项创新技术

暗物质通常被认为是一种不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用的全新粒子。与通常物质一样，暗物质也有引力作用。根据引力效应，天文学家估算，宇宙由27％的暗物质、68％的暗能量和5％的普通物质组成。

和普通物质一样，暗物质应该也来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻，宇宙温度非常高，粒子能量非常强，它们剧烈碰撞，在这种相互作用下，包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。

国际物理学界利用诸多超越标准模型的理论例如大一统理论、弦理论以及超维理论等预言了暗物质的假想粒子——轴子。这类粒子可以与标准模型粒子相互作用，引起标准模型粒子微弱的能级移动。

由于暗物质数量庞大，必然有大量的粒子到达地球，而暗物质粒子与原子核会发生弱相互作用和引力相互作用，由此，通过测量暗物质粒子的散射信号，就能够确认暗物质的存在。而量子精密测量技术利用相干、关联和纠缠等特性，可以实现对微弱能级的超灵敏测量，且它通常具备桌面尺寸，为暗物质搜寻提供了变革性的手段。

研究人员利用极化原子系综——一种利用量子精密测量技术，通过两个相距一定距离的极化原子云团在特定的质量或能量范围内（轴子窗口）来探测暗物质粒子相互作用的实验装置。在该实验装置中，一个129Xe原子原子系综充当自旋传感器，另一个作为自旋源。自旋传感器用于检测轴子暗物质可能引起的自旋变化，而自旋源则提供初始的自旋状态。为了提高129Xe核自旋的极化度或探测灵敏度，研究人员在原子系综中混入碱金属Rb，成功实现了对极化矢量信号高达145倍的放大。

当自旋源中的129Xe原子系综施加磁场脉冲后，其核自旋会翻转90°，随后这些原子以其特有的拉莫尔频率绕其极化轴进动。如果存在轴子暗物质，它们将通过轴子传递自旋相互作用给自旋传感器中的129Xe，从而产生潜在的轴子暗物质信号。

由于轴子暗物质信号极其微弱，极易被环境噪声和经典磁场的干扰信号所掩盖。为了克服这一挑战，研究人员设计了磁屏蔽系统，成功把经典磁场信号抑制了1010倍。另外，他们还采用了在引力波探测（如LIGO）中广泛应用的最优滤波技术（optimal filtering），以最大限度地提高轴子暗物质信号的信噪比。

尽管此次探测暂时未能发现轴子暗物质存在的直接证据，但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，将国际上的探测界限提升了至少50倍，创造了国际最佳纪录。

【3】结语

在我们的世界，所有“看得见”的自然万物，仅占宇宙质量的5%，另外的95%是看不见的暗物质和暗能量。

自从20世纪30年代始，对暗物质的研究一直是粒子物理和宇宙学的核心问题之一。寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘以及结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。

美国印第安纳大学伯明顿分校教授迈克尔·斯诺评论认为，这项研究的独特亮点在于创新性引入两种新技术——磁放大技术和信号模板，它们在未来将具有广泛实际应用价值，比如通过提高核磁共振的精度来实现精准医疗，以及开展更为精密的深海探测等。#墨子沙龙# #暗物质#