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中國科學技術大學教授彭新華和副教授江敏等在軸子暗物質(zhì)探測方面取得進展。該研究利用量子精密測量技術在“軸子窗口”內(nèi)開展了軸子暗物質(zhì)的直接搜尋實驗，將國際上的探測界限提升了至少50倍。近日，相關研究成果以New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，并被選為編輯推薦文章。同時，美國物理學會Physics Viewpoint欄目刊發(fā)了美國印第安納大學伯明頓分校教授Michael Snow撰寫的題為Searching for Axions in Polarized Gas的專文評述。近年來，有研究提出，一些特定理論模型預測軸子和Z'玻色子或存在于“軸子窗口”。而軸子暗物質(zhì)的信號微弱，易被環(huán)境噪聲和經(jīng)典磁場的干擾信號掩蓋，因此僅有少數(shù)團隊在這一質(zhì)量范圍開展過實驗搜尋。該研究利用兩個相距60毫米的極化129Xe原子系綜，在軸子窗口內(nèi)探測軸子暗物質(zhì)誘導的自旋相關相互作用。實驗裝置中，一個129Xe原子系綜充當自旋傳感器，另一個129Xe原子系綜作為自旋源。為了提高129Xe核自旋的極化度或探測靈敏度，研究在129Xe原子系綜中混入堿金屬Rb，實現(xiàn)了對129Xe極化矢量信號145倍放大，構建了超靈敏的軸子暗物質(zhì)探測器。實驗中，對自旋源中的129Xe原子系綜施加磁場脈沖，使129Xe原子的核自旋翻轉90°，進而這些原子以特有的拉莫爾頻率繞其極化軸進動。理論預期提出，這類進動的129Xe原子將通過軸子傳遞自旋相互作用至自旋傳感器中的129Xe，從而產(chǎn)生潛在的軸子暗物質(zhì)信號。為了捕捉這一微弱信號，研究利用激光探針監(jiān)測129Xe傳感器的極化狀態(tài)，尋找可能揭示軸子暗物質(zhì)存在的微小偏差。而軸子暗物質(zhì)信號極其微弱，使得經(jīng)典磁場干擾可能成為高靈敏識別軸子信號的挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究設計了磁屏蔽系統(tǒng)，將經(jīng)典磁場信號抑制了1010倍。同時，研究采用引力波探測應用的最優(yōu)濾波技術，以最大限度地提高軸子暗物質(zhì)信號的信噪比。盡管研究暫時未發(fā)現(xiàn)軸子暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，仍在“軸子窗口”內(nèi)給出了迄今為止最強的中子-中子耦合界限，創(chuàng)造了新的國際最佳紀錄。上述研究展示了量子精密測量技術在暗物質(zhì)探測領域的潛力，為未來的相關研究奠定了基礎。研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、中國博士后科學基金會等的支持。論文鏈接APS Physics Viewpoint報道鏈接（a）實驗示意圖；（b）實驗約束的軸子暗物質(zhì)界限