11日，记者从中国科学技术大学获悉，该校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，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。研究成果日前发表在国际学术期刊《物理研究快报》上。
粒子物理标准模型所描述的粒子和相互作用，仅占据了观测宇宙能量密度的5%。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轴子这种暗物质的热门候选粒子。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，为暗物质搜寻提供了变革性的手段。然而，由于轴子暗物质的信号极其微弱，极易被环境噪声和经典磁场的干扰信号所掩盖，因此仅有少数研究团队在这一质量范围开展过实验搜寻。
研究人员巧妙地利用了两个相距60毫米的极化原子系综，在轴子窗口内探测轴子暗物质诱导的自旋相关相互作用。在实验装置中，以一个原子系综充当自旋传感器，另一个原子系综作为自旋源。为了提高原子系综核自旋的极化度或者探测灵敏度，研究人员在原子系综中混入碱金属，成功实现了对原子系综极化矢量信号高达145倍的放大，构建了一个超灵敏的轴子暗物质探测器。
然而，由于轴子暗物质信号极其微弱，经典磁场干扰可能成为高灵敏识别轴子信号的巨大挑战。为了克服这一挑战，研究人员精心设计了磁屏蔽系统，成功把经典磁场信号抑制了10的10次方倍。此外，他们还采用了在引力波探测中广泛应用的最优滤波技术，以最大限度地提高轴子暗物质信号的信噪比。尽管研究人员暂时未能发现轴子暗物质存在的直接证据，但他们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。
研究人员表示，这一成果不仅展示了量子精密测量技术在暗物质探测领域的巨大潜力，也为未来的相关研究奠定了坚实的基础。
（中国科学技术大学供图）
磁场量子中国科学技术大学
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