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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏副研究員等在量子精密測量和超越標(biāo)準(zhǔn)模型領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用超靈敏量子精密測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新玻色子直接搜尋，質(zhì)量大于65μeV的軸子觀測界限提升國際紀(jì)錄至少10個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)研究成果于7月26日以“Limits on Axions and Axionlike Particles within the Axion Window Using a Spin-Based Amplifier”為題發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022)]。國際知名學(xué)術(shù)網(wǎng)站Phys.org以“Usingquantum technology to constrain new particles”為題專文報(bào)道了該工作。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的建立是20世紀(jì)物理學(xué)取得的最重大成就之一，成功預(yù)言希格斯玻色子和W±、Z0玻色子等，極大促進(jìn)了基礎(chǔ)物理學(xué)研究。盡管已經(jīng)取得了巨大的成功，標(biāo)準(zhǔn)模型仍然存在著許多疑難問題，包括強(qiáng)CP問題、中微子振蕩、重子不對(duì)稱性以及暗物質(zhì)和暗能量。為解決這些難題，許多理論預(yù)言存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和相互作用。兩位諾貝爾獎(jiǎng)得主Weinberg和Wilczek提出一種新玻色子——軸子（Axion），其存在可以完美的解釋量子色動(dòng)力學(xué)中的“強(qiáng)CP”問題。軸子還可以作為暗物質(zhì)候選粒子，有望解答“宇宙由何組成？”這一世界性難題。世界上的大型高能實(shí)驗(yàn)室比如瑞士的CERN、德國的DESY、日本的KEK、韓國的IBS 等均投入大量精力搜尋軸子。在美國至少有五個(gè)正在運(yùn)行的軸子搜尋實(shí)驗(yàn)，例如通過微波腔的ADMX、HAYSTACK 和用超導(dǎo)電路的DM Radio、ABRACADABRA 等。軸子質(zhì)量分布范圍是搜尋實(shí)驗(yàn)中極為關(guān)鍵的參數(shù)。根據(jù)以往的理論，軸子質(zhì)量的可能范圍跨度接近100個(gè)數(shù)量級(jí)，如果逐一搜尋，將耗費(fèi)巨大的時(shí)間成本以及對(duì)探測技術(shù)要求極高，這為實(shí)驗(yàn)搜尋帶來了極大的挑戰(zhàn)。近期，國際上多項(xiàng)理論工作如高溫晶格QCD、SMATH和軸子弦網(wǎng)絡(luò)理論等研究了軸子質(zhì)量分布范圍，預(yù)言軸子質(zhì)量有可能分布在10 μeV~1 meV，即著名的“軸子窗口”。這些工作引起了大家的廣泛關(guān)注，然而由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)限制，大部分實(shí)驗(yàn)室搜尋和天文學(xué)觀測無法對(duì)軸子窗口內(nèi)的軸子進(jìn)行高靈敏搜尋。

圖1：本工作的實(shí)驗(yàn)（A）與軸子誘導(dǎo)的中子-電子耦合強(qiáng)度界限圖（B）

彭新華教授研究組將量子精密測量技術(shù)應(yīng)用于軸子實(shí)驗(yàn)搜尋，原創(chuàng)提出“Sapphire” 研究計(jì)劃（SpinAmplifier forParticlePHysIcsREsearch），核心是利用自旋量子放大器探測新粒子信號(hào)，為軸子研究提供了全新的“桌面式”超靈敏搜尋方法。在該工作中，研究人員制備了兩個(gè)原子蒸氣室，分別是惰性氣體氙原子（xeon-129）和堿金屬銣原子（rubidium-87），二者均通過激光泵浦技術(shù)實(shí)現(xiàn)接近了100%的自旋極化度。軸子可以作為力傳播子（諾貝尓獎(jiǎng)得主Wilczek于1984年理論預(yù)言），使得兩團(tuán)極化原子之間發(fā)生一種全新的極弱耦合作用，這等同于銣原子在氙原子上產(chǎn)生一個(gè)等效的磁場（如圖1A所示）。軸子的質(zhì)量決定了這一耦合作用的力程范圍（即兩個(gè)原子蒸氣室的距離），因此為了搜尋特定質(zhì)量范圍的軸子，可以通過調(diào)節(jié)原子蒸氣室之間的距離來實(shí)現(xiàn)。為了瞄準(zhǔn)軸子窗口這一質(zhì)量范圍，需要將兩個(gè)原子蒸氣室之間的距離調(diào)節(jié)到厘米級(jí)別甚至更短。這對(duì)實(shí)驗(yàn)搜尋帶來了兩個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：（1）軸子等效磁場極其微弱，需要發(fā)展超靈敏的磁場探測技術(shù)；（2）由于兩個(gè)原子蒸氣室距離十分靠近，相互之間會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典的磁場干擾，導(dǎo)致軸子信號(hào)無法高靈敏識(shí)別。針對(duì)以上難題，該工作利用近期自主提出的自旋量子放大器作為軸子等效磁場的傳感器[Nat. Phys. 17, 1402 (2021)；PRL 128, 233201 (2022) ]，實(shí)現(xiàn)了2個(gè)數(shù)量級(jí)的磁場放大，實(shí)驗(yàn)測量精度達(dá)到了0.1飛特斯拉（1飛特斯拉=10-15特斯拉），這意味著軸子產(chǎn)生的等效磁場至少比地磁場小1萬億倍。另一方面，研究人員為兩個(gè)原子蒸氣室專門研發(fā)了小型磁場屏蔽，將經(jīng)典干擾磁場降低到0.003飛特斯拉水平，相比實(shí)驗(yàn)測量精度可以忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在搜索范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)軸子存在的證據(jù)，由此給出了軸子窗口內(nèi)最強(qiáng)的中子-電子耦合界限，創(chuàng)造了新的國際最佳界限(如圖1B)。

審稿人高度評(píng)價(jià)該工作是“a substantial improvement in sensitivity in a theoretically interesting mass region for axions”和“a clever new implementation"。這一成果展示了量子精密測量技術(shù)在粒子物理研究領(lǐng)域應(yīng)用的新潛力，有望突破一系列現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)界限，從而激發(fā)對(duì)宇宙天文學(xué)、原子分子物理學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)的廣泛興趣。

中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生王元泓和蘇昊文為該文共同第一作者，江敏副研究員和彭新華教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和安徽省的資助。

論文連接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.051801

Phys.org報(bào)道：https://phys.org/news/2022-07-quantum-technology-constrain-particles.html

（中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）