近日，beat365官方网站季偉助理教授、劉佳助理教授聯合課題組與北京航空航天大學大科學裝置研究院房建成院士課題組合作，在超輕暗物質直接探測實驗中創新性地采用堿金屬-惰性氣體共磁儀的雙自旋共振耦合模式，對超輕軸子暗物質與核子的相互作用強度進行測量，獲得了世界領先的實驗靈敏度。該研究成果以“基于混合自旋系統的共振耦合探測暗物質”（Dark matter search with a resonantly-coupled hybrid spin system）為題，于2025年4月17日以研究論文形式在線發表于《物理學進展報告》（Reports on Progress in Physics）。

強相互作用中的CP問題是粒子物理學尚未解決的重要問題之一，而軸子理論被認為是解決該問題的最佳方案。軸子不僅可以通過非熱平衡過程産生足夠的宇宙豐度，還具有足夠長的壽命，是超輕波動型暗物質最熱門的候選模型。由于大質量弱作用暗物質仍未被發現，軸子暗物質已成為近年來粒子物理理論和實驗關注的焦點。軸子可以與膠子、光子以及各種标準模型費米子發生耦合作用；在低能标下，它能自然地與核子産生相互作用。由于其赝戈德斯通粒子的特性，軸子主要與核子自旋發生耦合。在非相對論情況下，其哈密頓量以軸子場的梯度算符作為赝磁場與核子自旋耦合。由于該梯度算符正比于軸子暗物質的運動速度，類比于大氣中的氣體流動導緻風的效應，故而這種效應被學界命名為“軸子風”。

通過核子自旋測量磁場的實驗可用于探測軸子暗物質與核子的耦合強度。當軸子暗物質與原子核發生耦合時，其效應類似于一個振蕩的赝磁場，能夠引起原子核自旋的異常進動。此前的實驗通常采用核磁共振（NMR）模式，即原子核在外加磁場中會對特定頻率的電磁波産生共振吸收。當軸子赝磁場的振蕩頻率與NMR的共振頻率相匹配時，實驗對暗物質信号的靈敏度可達到最優。然而，由于核磁共振頻率較窄且軸子暗物質的質量未知，實驗需通過掃描外磁場來調節共振頻率，以覆蓋可能的質量範圍。這種磁場掃描方式不僅縮短了針對每個暗物質質量點的有效測量時間，進而影響實驗靈敏度，還使實驗程序更加複雜繁瑣。這類實驗屬于典型的共振型超輕暗物質搜索。

在此背景下，研究團隊提出一種新型的混合共振（Hybrid Spin Resonance, HSR）共磁儀，創新性地采用K-Rb-²¹Ne共磁儀實現了對軸子暗物質的寬頻譜測量。傳統上，堿金屬旋磁比遠大于惰性氣體原子，兩者自旋進動很難達到共振。研究團隊利用原子磁矩之間的耦合，通過調節外磁場減小堿金屬Rb自旋感受到的有效磁場，同時增大惰性氣體Ne的有效磁場，在外磁場精确調制到特定值的時候，實現了兩種原子自旋的共振狀态。這種共振使Ne核自旋弛豫時間被堿金屬影響，使得其原子核有效寬度從NMR模式下的0.01Hz量級擴展到35Hz量級，大幅提高暗物質質量的探測範圍。同時，由于堿金屬處于無自旋交換弛豫（SERF）态，該體系可以實現極高的探測靈敏度。這一新模式具有寬頻響應、高靈敏度和良好穩定性的優勢，在顯著縮短數據采集時間的同時，有效提升了實驗靈敏度。相較于傳統的共振型方案，上述研究為未來開展寬頻譜的超輕暗物質探索開辟了新方向。

此外，實驗還在核自旋自補償模式下探測了5Hz以下的暗物質質量範圍。該研究通過混合自旋共振和核自旋自補償模式對0.01 Hz至1 kHz頻率範圍内的軸子暗物質進行搜尋，獲得了世界領先的實驗室測量靈敏度。在軸子-中子耦合方面，部分低頻區域的結果超過了普林斯頓大學K^-3He實驗的靈敏度[1]，且超越了天文學超新星爆發和中子星冷卻的觀測限制；在[15, 100]Hz高頻區域則優于其它實驗室結果。在軸子-質子耦合方面，該研究在[0.01，700]Hz範圍内取得了當前實驗室最佳靈敏度。具體研究結果見圖1。

圖1：軸子暗物質與中子（左）和質子（右）耦合強度的實驗測量限制。橫軸表示暗物質質量對應的康普頓頻率。紅色線為本次ChangE合作組的研究結果，包括混合自旋HSR模式以及自補償SC模式。

北京航空航天大學魏凱教授和博士畢業生徐子童為論文的共同第一作者，季偉、劉佳和房建成為共同通訊作者。合作者還包括北京航空航天大學全偉教授、王小平副教授、博士研究生衡星和黃曉菲，beat365官方网站博士畢業生何雨軒（現為香港城市大學博士後）、博士研究生馬小林，以及德國美因茨大學Dmitry Budker教授。上述研究工作得到了國家自然科學基金、科技創新2030重大專項、核物理與核技術全國重點實驗室和beat365高能物理研究中心的支持。

論文原文鍊接

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/adca52

參考文獻

[1] J. Lee, M. Lisanti, W.A. Terrano and M. Romalis, Phys. Rev. X 13 (2023) 011050