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我科學家利用量子精密測量技術搜尋暗物質(zhì)
2024-11-12 17:55:40 來源:科技日報 編輯:
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(nèi)成功開展了軸子暗物質(zhì)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(fā)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,僅占據(jù)了觀測宇宙能量密度的5%。大一統(tǒng)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(zhì)的熱門候選粒子。量子精密測量技術利用相干、關聯(lián)和糾纏等特性,可以實現(xiàn)對微弱能級的超靈敏測量,為暗物質(zhì)搜尋提供了變革性的手段。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。

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(nèi)探測軸子暗物質(zhì)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堿金屬,成功實現(xiàn)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(zhì)探測器。

然而,由于軸子暗物質(zhì)信號極其微弱,經(jīng)典磁場干擾可能成為高靈敏識別軸子信號的巨大挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn),研究人員精心設計了磁屏蔽系統(tǒng),成功把經(jīng)典磁場信號抑制了1010倍。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,最大限度地提高軸子暗物質(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)栽谳S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。

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(zhì)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。

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