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Nature|量子增强搜索暗物质轴

编译者:Precisionatom 2020发布时间:2021-4-9点击量:154 来源栏目:研究进展

暗物质是宇宙能量密度的27%,在它的存在被首次假设了将近一个世纪之后,它仍然是基础物理学中最深奥的谜团之一。它决定了宇宙结构的形成,支配着星系的动力学,有压倒性的证据表明,它不能由粒子物理标准模型所描述的任何粒子组成。被称为轴子的假设粒子最初被提出用来解决量子色动力学(QCD)中的强CP问题,现在已经成为主要的暗物质候选粒子,因为实验的零结果对重要的替代品施加了严格的限制。如果它们存在的话,轴子可能会比所有大质量标准模型粒子轻很多数量级。事实上,它们的能量足够低,可以表现得像一个弱耦合的振荡场,贯穿整个空间。研究这个场的存在需要对轴子相干效应敏感的探测器,而不是单粒子相互作用。近年来,探测器平台的数量激增,能够探测轴子质量的不同可能值。其中,设计用于在1–50 μeV/c2质量范围(c,真空中的光速)内搜索的轴子光晕镜是迄今为止唯一证明对QCD轴子敏感的平台。

2021年2月10日,美国耶鲁大学H. Wang组在《Nature》杂志上,发表了题目为“A quantum enhanced search for dark matter axions“的文章。对光的量子态的操纵有可能加强对基础物理的探索。直到最近,量子压缩技术的成熟才与受到量子不确定性限制的基础物理研究的出现相吻合。特别是,在量子色动力学中轴子为基础物理学中两个最突出的问题提供了可能的解决方案:量子色动力学的强电荷宇称问题和暗物质的未知性质。在暗物质轴子搜索中,量子不确定性表现为一个基本的噪声源,限制了用于探测的正交观测值的测量。很少有暗物质研究接近这个极限,直到现在都没有超过这个极限。这里他们利用真空压缩来绕过量子极限来寻找暗物质。通过在压缩状态下制备微波频率电磁场,并几乎无噪声地读出压缩正交,他们在最近的一些理论预测所支持的质量范围内,使轴子的搜索速度加倍。在16.96–17.12和17.14–17.28微伏的轴子剩余能量窗口中,他们没有发现暗物质的证据。突破量子极限带来了一个基础物理研究的时代,在这个时代,与接近量子极限的收益递减相比,降噪技术产生了无限的好处。

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