自從發現星系旋轉曲線異常現象後，暗物質作為宇宙的重要組成部分引起了廣泛關注。研究暗物質的性質不僅能夠幫助理解宇宙的結構和演化過程，同時對粒子物理學也有深遠的影響。暗光子作為一種假設的超輕玻色子，是暗物質的重要候選者之一。通過微弱的動量混合，暗光子能夠與普通光子相互作用，成為标準模型的自然擴展。該特性吸引了國内外衆多粒子物理、天文觀測和量子精密測量團隊的研究興趣，其參數空間的探索已經成為國際競争的焦點。

近日，beat365官方网站舒菁教授領導的山河合作組（SHANHE，Superconducting cavity as High-frequency gravitational wave, Axion, and other New Hidden particle Explorer）在全球首次利用超導射頻腔掃描搜尋暗光子暗物質(DPDM)，在1.3 GHz頻段獲得了對暗光子暗物質最嚴格的參數限制。相關研究成果以“首次利用可調超導射頻腔掃描搜尋暗光子暗物質”(First Scan Search for Dark Photon Dark Matter with a Tunable Superconducting Radio-Frequency Cavity)為題，于2024年7月12日在線發表于國際權威物理學期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

暗光子的動量混合使其作為暗物質表現為一種電流源，可以激發電磁場。暗物質的非相對論性質使得該電流源在頻率空間上集中在其質量附近的一條窄帶。當暗光子的康普頓波長與諧振腔尺寸相當時，其激發的電磁場可以通過諧振效應被大幅放大。超導射頻(SRF)腔具有極高品質因子，比傳統諧振腔高出5個數量級，顯著降低噪聲水平，從而極大地提高暗光子檢測的靈敏度。

圖1：左：安裝調諧器的超導腔實物圖；右：實驗電路設計圖

由于暗物質質量區間未知，對暗光子暗物質的搜尋除了需要極高靈敏度外，還需要快速覆蓋不同的質量區間。山河合作組利用圖1所示的2K液氦環境中的超導射頻腔，首次在超導腔體上使用機械調諧器，在短時間内進行了1150次掃描。在初始頻率接近1.299 GHz的情況下，覆蓋了1.37 MHz的頻率範圍。研究團隊還設計了世界上第一個适用于極高品質因子的數據處理方法，對掃描範圍内的暗光子暗物質進行了嚴格的排除。該實驗排除的參數空間，如圖2所示。

圖2：基于SRF掃描搜索對DPDM動量混合系數 ϵ 的90%排除限制(紅色)

山河合作組的結果在全球範圍内領先于其他競争對手，如美國的費米實驗室的SQMS（圖2）。預計這項工作将激勵未來在該領域的研究，特别是新型頻率調諧器和腔體的發展，能夠探索更大的參數空間。超導射頻腔極高品質因子允許多種增強方法來提高靈敏度，包括壓縮技術、無破壞光子計數、以及同時實現糾纏和狀态交換等。山河合作組還計劃進行軸子暗物質和高頻引力波的探測等一系列前沿物理研究。

beat365副研究員湯振興和中國科學院大學博士研究生王博為本文共同第一作者，beat365博雅教授舒菁為本文通訊作者，相關合作單位包括beat365官方网站重離子所射頻超導加速器實驗室、中國科學院高能物理研究所、中國科學院大學亞太理論物理中心、尼爾斯玻爾研究所、中國科學院理論物理研究所、以及北京量子信息科學研究院。

上述研究工作得到科技部、國家自然科學基金、beat365啟動基金、beat365核物理與核技術國家重點實驗室和beat365高能中心等支持。

論文原文鍊接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.021005