中國科大彭新華團隊在量子精密測量技術取得突破

中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副研究員等在量子精密測量和超越標準模型領域取得重要進展，利用超靈敏量子精密測量技術實現了超越標準模型的新玻色子直接搜尋，質量大于65μeV的軸子觀測界限提升國際紀錄至少10個數量級。相關研究成果于7月26日以“Limits on Axions and Axionlike Particles within the Axion Window Using a Spin-Based Amplifier”為題發表于國際著名學術期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 129, 051801 (2022)]。國際知名學術網站Phys.org以“Usingquantum technology to constrain new particles”為題專文報道了該工作。

粒子物理標準模型的建立是20世紀物理學取得的最重大成就之一，成功預言希格斯玻色子和W±、Z0玻色子等，極大促進了基礎物理學研究。盡管已經取得了巨大的成功，標準模型仍然存在著許多疑難問題，包括強CP問題、中微子振蕩、重子不對稱性以及暗物質和暗能量。為解決這些難題，許多理論預言存在超越標準模型的新粒子和相互作用。兩位諾貝爾獎得主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力學中的“強CP”問題。軸子還可以作為暗物質候選粒子，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驗室比如瑞士的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。在美國至少有五個正在運行的軸子搜尋實驗，例如通過微波腔的ADMX、HAYSTACK 和用超導電路的DM Radio、ABRACADABRA 等。軸子質量分布范圍是搜尋實驗中極為關鍵的參數。根據以往的理論，軸子質量的可能范圍跨度接近100個數量級，如果逐一搜尋，將耗費巨大的時間成本以及對探測技術要求極高，這為實驗搜尋帶來了極大的挑戰。近期，國際上多項理論工作如高溫晶格QCD、SMATH和軸子弦網絡理論等研究了軸子質量分布范圍，預言軸子質量有可能分布在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注，然而由于實驗技術限制，大部分實驗室搜尋和天文學觀測無法對軸子窗口內的軸子進行高靈敏搜尋。

圖1：本工作的實驗（A）與軸子誘導的中子-電子耦合強度界限圖（B）

彭新華教授研究組將量子精密測量技術應用于軸子實驗搜尋，原創提出“Sapphire” 研究計劃（SpinAmplifier forParticlePHysIcsREsearch），核心是利用自旋量子放大器探測新粒子信號，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實現接近了100%的自旋極化度。軸子可以作為力傳播子（諾貝尓獎得主Wilczek于1984年理論預言），使得兩團極化原子之間發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生一個等效的磁場（如圖1A所示）。軸子的質量決定了這一耦合作用的力程范圍（即兩個原子蒸氣室的距離），因此為了搜尋特定質量范圍的軸子，可以通過調節原子蒸氣室之間的距離來實現。為了瞄準軸子窗口這一質量范圍，需要將兩個原子蒸氣室之間的距離調節到厘米級別甚至更短。這對實驗搜尋帶來了兩個巨大的挑戰：（1）軸子等效磁場極其微弱，需要發展超靈敏的磁場探測技術；（2）由于兩個原子蒸氣室距離十分靠近，相互之間會產生經典的磁場干擾，導致軸子信號無法高靈敏識別。針對以上難題，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) ]，實現了2個數量級的磁場放大，實驗測量精度達到了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，研究人員為兩個原子蒸氣室專門研發了小型磁場屏蔽，將經典干擾磁場降低到0.003飛特斯拉水平，相比實驗測量精度可以忽略不計。實驗結果表明，在搜索范圍內未發現軸子存在的證據，由此給出了軸子窗口內最強的中子-電子耦合界限，創造了新的國際最佳界限(如圖1B)。

審稿人高度評價該工作是“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在粒子物理研究領域應用的新潛力，有望突破一系列現有的實驗界限，從而激發對宇宙天文學、原子分子物理學等多個基礎科學的廣泛興趣。

中科院微觀磁共振重點實驗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、國家自然科學基金委和安徽省的資助。