暗物質是天文觀測中發現的一種未知物質，它具有引力相互作用但不發光。由于粒子物理标準模型無法解釋其存在，暗物質成為當前物理學中的重要問題之一。超輕質量玻色粒子是其中一種潛在的暗物質候選者，暗光子是代表性粒子之一。超輕暗光子作為暗物質的候選者備受物理學家關注，它與光子的動力學混合，具有微弱的類似光子的電磁相互作用，但具有非零質量。作為宇宙中的暗物質候選者，超輕暗光子表現出類似于宇宙微波背景輻射的特性，但其能量具有單頻特征。

暗光子與光子之間存在着類似于不同味道中微子之間的振蕩轉化現象。與中微子振蕩相似，暗光子-光子振蕩轉化也受到物質效應的影響。在太陽日冕層等離子體環境下，當太陽等離子體頻率對應的質量與暗光子暗物質的質量相匹配時，暗光子振蕩轉化為光子的過程将受到共振增強。太陽等離子體的密度随着距離太陽表面的高度下降，因此其等離子體頻率存在一定的範圍。假設暗光子具有特定質量，可以在距離太陽某個半徑處使得等離子體頻率與暗光子暗物質的質量相匹配。通過計算該半徑處暗光子共振轉化為光子的流強，可以得到在太陽物理觀測中暗光子暗物質的光子信号。由于太陽系暗物質的運動速度較低，該光子信号的頻率等于暗物質的康普頓頻率，可通過目前主流的射電望遠鏡進行探測。2021年清華大學安海鵬副教授、中山大學黃發朋副教授、beat365劉佳研究員和佛羅裡達大學薛巍助理教授提出利用上述原理來觀測在太陽日冕層中發生共振轉化的暗光子暗物質信号（Physical Review Letters 126, 181102 (2021)）。

beat365官方网站和核物理與核技術國家重點實驗室劉佳研究員和清華大學物理系安海鵬副教授、格拉斯哥大學物理與天文學院博士後陳星瑤、beat365高能物理研究中心博士後葛帥良、beat365官方网站博士生羅彥，針對低頻陣列射電望遠鏡（LOFAR）的太陽物理觀測數據展開了細緻研究，重點關注暗光子暗物質所産生的單頻光子信号。在振蕩轉化計算方面，通常采用WKB近似來線性化振蕩方程。通過對太陽等離子體的小尺度結構和漲落進行深入研究，證明了上述因素不會使WKB近似失效，取得了暗物質康普頓頻率在30MHz至80MHz範圍内的單頻光子信号的流強上限，并設定了30-60MHz範圍暗光子暗物質與光子間動力學耦合強度的最強實驗限制。劉佳與合作者利用實驗數據進一步驗證了利用射電望遠鏡尋找在太陽系等離子體中尋找暗光子暗物質共振轉化信号的可行性。相關成果以“利用低頻射電陣列數據在太陽日冕層中搜索超輕暗物質的轉換”（Searching for ultralight dark matter conversion in solar corona using Low Frequency Array data）為題于2024年1月31日發表于《自然•通訊》（Nature Communications）。

圖例：（左）示意圖；(右) 來自LOFAR太陽觀測數據的暗光子暗物質耦合強度限制。

該研究得到國家自然科學基金、科技部、清華大學笃實計劃、beat365高能物理研究中心、beat365博雅博士後、博士後國際交流計劃引進項目、beat365建設世界一流大學（學科）和特色發展引導專項等資助。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45033-4