中国科大彭新华团队在量子精密测量技术取得突破

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副研究员等在量子精密测量和超越标准模型领域取得重要进展，利用超灵敏量子精密测量技术实现了超越标准模型的新玻色子直接搜寻，质量大于65μeV的轴子观测界限提升国际纪录至少10个数量级。相关研究成果于7月26日以“Limits on Axions and Axionlike Particles within the Axion Window Using a Spin-Based Amplifier”为题发表于国际著名学术期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022)]。国际知名学术网站Phys.org以“Usingquantum technology to constrain new particles”为题专文报道了该工作。

粒子物理标准模型的建立是20世纪物理学取得的最重大成就之一，成功预言希格斯玻色子和W±、Z0玻色子等，极大促进了基础物理学研究。尽管已经取得了巨大的成功，标准模型仍然存在着许多疑难问题，包括强CP问题、中微子振荡、重子不对称性以及暗物质和暗能量。为解决这些难题，许多理论预言存在超越标准模型的新粒子和相互作用。两位诺贝尔奖得主Weinberg和Wilczek提出一种新玻色子——轴子（Axion），其存在可以完美的解释量子色动力学中的“强CP”问题。轴子还可以作为暗物质候选粒子，有望解答“宇宙由何组成？”这一世界性难题。世界上的大型高能实验室比如瑞士的CERN、德国的DESY、日本的KEK、韩国的IBS 等均投入大量精力搜寻轴子。在美国至少有五个正在运行的轴子搜寻实验，例如通过微波腔的ADMX、HAYSTACK 和用超导电路的DM Radio、ABRACADABRA 等。轴子质量分布范围是搜寻实验中极为关键的参数。根据以往的理论，轴子质量的可能范围跨度接近100个数量级，如果逐一搜寻，将耗费巨大的时间成本以及对探测技术要求极高，这为实验搜寻带来了极大的挑战。近期，国际上多项理论工作如高温晶格QCD、SMATH和轴子弦网络理论等研究了轴子质量分布范围，预言轴子质量有可能分布在10 μeV~1 meV，即著名的“轴子窗口”。这些工作引起了大家的广泛关注，然而由于实验技术限制，大部分实验室搜寻和天文学观测无法对轴子窗口内的轴子进行高灵敏搜寻。

图1：本工作的实验（A）与轴子诱导的中子-电子耦合强度界限图（B）

彭新华教授研究组将量子精密测量技术应用于轴子实验搜寻，原创提出“Sapphire” 研究计划（SpinAmplifier forParticlePHysIcsREsearch），核心是利用自旋量子放大器探测新粒子信号，为轴子研究提供了全新的“桌面式”超灵敏搜寻方法。在该工作中，研究人员制备了两个原子蒸气室，分别是惰性气体氙原子（xeon-129）和碱金属铷原子（rubidium-87），二者均通过激光泵浦技术实现接近了100%的自旋极化度。轴子可以作为力传播子（诺贝尓奖得主Wilczek于1984年理论预言），使得两团极化原子之间发生一种全新的极弱耦合作用，这等同于铷原子在氙原子上产生一个等效的磁场（如图1A所示）。轴子的质量决定了这一耦合作用的力程范围（即两个原子蒸气室的距离），因此为了搜寻特定质量范围的轴子，可以通过调节原子蒸气室之间的距离来实现。为了瞄准轴子窗口这一质量范围，需要将两个原子蒸气室之间的距离调节到厘米级别甚至更短。这对实验搜寻带来了两个巨大的挑战：（1）轴子等效磁场极其微弱，需要发展超灵敏的磁场探测技术；（2）由于两个原子蒸气室距离十分靠近，相互之间会产生经典的磁场干扰，导致轴子信号无法高灵敏识别。针对以上难题，该工作利用近期自主提出的自旋量子放大器作为轴子等效磁场的传感器[Nat. Phys. 17, 1402 (2021)；PRL 128, 233201 (2022) ]，实现了2个数量级的磁场放大，实验测量精度达到了0.1飞特斯拉（1飞特斯拉=10-15特斯拉），这意味着轴子产生的等效磁场至少比地磁场小1万亿倍。另一方面，研究人员为两个原子蒸气室专门研发了小型磁场屏蔽，将经典干扰磁场降低到0.003飞特斯拉水平，相比实验测量精度可以忽略不计。实验结果表明，在搜索范围内未发现轴子存在的证据，由此给出了轴子窗口内最强的中子-电子耦合界限，创造了新的国际最佳界限(如图1B)。

审稿人高度评价该工作是“a substantial improvement in sensitivity in a theoretically interesting mass region for axions”和“a clever new implementation"。这一成果展示了量子精密测量技术在粒子物理研究领域应用的新潜力，有望突破一系列现有的实验界限，从而激发对宇宙天文学、原子分子物理学等多个基础科学的广泛兴趣。

中科院微观磁共振重点实验室博士研究生王元泓和苏昊文为该文共同第一作者，江敏副研究员和彭新华教授为共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的资助。