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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學院辦院方針

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【中國科學報】科學家利用量子精密測量技術(shù)創(chuàng)造暗物質(zhì)探測紀錄

2024-11-15 中國科學報王敏

【字體：大中小】

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科學家利用量子精密測量技術(shù)探測軸子暗物質(zhì)誘導的自旋相關(guān)相互作用。中國科學技術(shù)大學供圖

中國科學技術(shù)大學教授彭新華、副教授江敏等利用量子精密測量技術(shù)，在“軸子窗口”內(nèi)成功開展軸子暗物質(zhì)的直接搜尋實驗，將國際上的探測界限提升至少50倍。研究成果日前發(fā)表于《物理評論快報》，并被選為“編輯推薦”文章。

自半個世紀前確立以來，粒子物理標準模型已經(jīng)受了無數(shù)次檢驗。然而，粒子物理標準模型所描述的粒子和相互作用僅占觀測宇宙能量密度的5%。諸多超越標準模型的理論預言了軸子這種暗物質(zhì)的熱門候選粒子。

這類粒子可以與標準模型粒子相互作用，引起標準模型粒子微弱的能級移動。量子精密測量技術(shù)利用相干、關(guān)聯(lián)和糾纏等特性，可以實現(xiàn)對微弱能級的超靈敏測量，而且通常具備桌面尺寸，為暗物質(zhì)搜尋提供了變革性手段。

一些特定理論模型預測軸子有可能存在于所謂“軸子窗口”內(nèi)。然而，由于軸子暗物質(zhì)的信號極其微弱，極易被環(huán)境噪聲和經(jīng)典磁場的干擾信號所掩蓋，因此僅有少數(shù)研究團隊在這一質(zhì)量范圍開展過實驗搜尋。

該工作中，研究人員巧妙利用了兩個相距60毫米的極化原子系綜，在“軸子窗口”內(nèi)探測軸子暗物質(zhì)誘導的自旋相關(guān)相互作用。由于極化原子系綜之間存在經(jīng)典磁場，形成干擾，研究人員精心設(shè)計了磁屏蔽系統(tǒng)，成功把經(jīng)典磁場信號抑制到一百億分之一。此外，他們還采用了在引力波探測中廣泛應用的最優(yōu)濾波技術(shù)，以最大限度提高軸子暗物質(zhì)信號的信噪比。

盡管研究人員暫時未能發(fā)現(xiàn)軸子暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，但他們?nèi)栽凇拜S子窗口”內(nèi)給出了迄今最強的中子-中子耦合界限，創(chuàng)造了新的國際最佳紀錄。

這一成果不僅展示了量子精密測量技術(shù)在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的巨大潛力，也為未來的相關(guān)研究奠定了堅實基礎(chǔ)。

美國印第安納大學伯明頓分校教授Michael Snow撰寫了評述文章，稱“該工作將軸子暗物質(zhì)的探測靈敏度提高約兩個數(shù)量級，超越了國際最先進水平”。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.191801

（原載于《中國科學報》?2024-11-15?第1版?要聞）

科學家利用量子精密測量技術(shù)探測軸子暗物質(zhì)誘導的自旋相關(guān)相互作用。中國科學技術(shù)大學供圖中國科學技術(shù)大學教授彭新華、副教授江敏等利用量子精密測量技術(shù)，在“軸子窗口”內(nèi)成功開展軸子暗物質(zhì)的直接搜尋實驗，將國際上的探測界限提升至少50倍。研究成果日前發(fā)表于《物理評論快報》，并被選為“編輯推薦”文章。自半個世紀前確立以來，粒子物理標準模型已經(jīng)受了無數(shù)次檢驗。然而，粒子物理標準模型所描述的粒子和相互作用僅占觀測宇宙能量密度的5%。諸多超越標準模型的理論預言了軸子這種暗物質(zhì)的熱門候選粒子。這類粒子可以與標準模型粒子相互作用，引起標準模型粒子微弱的能級移動。量子精密測量技術(shù)利用相干、關(guān)聯(lián)和糾纏等特性，可以實現(xiàn)對微弱能級的超靈敏測量，而且通常具備桌面尺寸，為暗物質(zhì)搜尋提供了變革性手段。一些特定理論模型預測軸子有可能存在于所謂“軸子窗口”內(nèi)。然而，由于軸子暗物質(zhì)的信號極其微弱，極易被環(huán)境噪聲和經(jīng)典磁場的干擾信號所掩蓋，因此僅有少數(shù)研究團隊在這一質(zhì)量范圍開展過實驗搜尋。該工作中，研究人員巧妙利用了兩個相距60毫米的極化原子系綜，在“軸子窗口”內(nèi)探測軸子暗物質(zhì)誘導的自旋相關(guān)相互作用。由于極化原子系綜之間存在經(jīng)典磁場，形成干擾，研究人員精心設(shè)計了磁屏蔽系統(tǒng)，成功把經(jīng)典磁場信號抑制到一百億分之一。此外，他們還采用了在引力波探測中廣泛應用的最優(yōu)濾波技術(shù)，以最大限度提高軸子暗物質(zhì)信號的信噪比。盡管研究人員暫時未能發(fā)現(xiàn)軸子暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，但他們?nèi)栽凇拜S子窗口”內(nèi)給出了迄今最強的中子-中子耦合界限，創(chuàng)造了新的國際最佳紀錄。這一成果不僅展示了量子精密測量技術(shù)在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的巨大潛力，也為未來的相關(guān)研究奠定了堅實基礎(chǔ)。美國印第安納大學伯明頓分校教授Michael Snow撰寫了評述文章，稱“該工作將軸子暗物質(zhì)的探測靈敏度提高約兩個數(shù)量級，超越了國際最先進水平”。相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.191801（原載于《中國科學報》?2024-11-15?第1版?要聞）

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