近日，北京大学物理学院季伟助理教授、刘佳助理教授联合课题组与北京航空航天大学大科学装置研究院房建成院士课题组合作，在超轻暗物质直接探测实验中创新性地采用碱金属-惰性气体共磁仪的双自旋共振耦合模式，对超轻轴子暗物质与核子的相互作用强度进行测量，获得了世界领先的实验灵敏度。该研究成果以“基于混合自旋系统的共振耦合探测暗物质”（Dark matter search with a resonantly-coupled hybrid spin system）为题，于2025年4月17日以研究论文形式在线发表于《物理学进展报告》（Reports on Progress in Physics）。

强相互作用中的CP问题是粒子物理学尚未解决的重要问题之一，而轴子理论被认为是解决该问题的最佳方案。轴子不仅可以通过非热平衡过程产生足够的宇宙丰度，还具有足够长的寿命，是超轻波动型暗物质最热门的候选模型。由于大质量弱作用暗物质仍未被发现，轴子暗物质已成为近年来粒子物理理论和实验关注的焦点。轴子可以与胶子、光子以及各种标准模型费米子发生耦合作用；在低能标下，它能自然地与核子产生相互作用。由于其赝戈德斯通粒子的特性，轴子主要与核子自旋发生耦合。在非相对论情况下，其哈密顿量以轴子场的梯度算符作为赝磁场与核子自旋耦合。由于该梯度算符正比于轴子暗物质的运动速度，类比于大气中的气体流动导致风的效应，故而这种效应被学界命名为“轴子风”。

通过核子自旋测量磁场的实验可用于探测轴子暗物质与核子的耦合强度。当轴子暗物质与原子核发生耦合时，其效应类似于一个振荡的赝磁场，能够引起原子核自旋的异常进动。此前的实验通常采用核磁共振（NMR）模式，即原子核在外加磁场中会对特定频率的电磁波产生共振吸收。当轴子赝磁场的振荡频率与NMR的共振频率相匹配时，实验对暗物质信号的灵敏度可达到最优。然而，由于核磁共振频率较窄且轴子暗物质的质量未知，实验需通过扫描外磁场来调节共振频率，以覆盖可能的质量范围。这种磁场扫描方式不仅缩短了针对每个暗物质质量点的有效测量时间，进而影响实验灵敏度，还使实验程序更加复杂繁琐。这类实验属于典型的共振型超轻暗物质搜索。

在此背景下，研究团队提出一种新型的混合共振（Hybrid Spin Resonance, HSR）共磁仪，创新性地采用K-Rb-21Ne共磁仪实现了对轴子暗物质的宽频谱测量。传统上，碱金属旋磁比远大于惰性气体原子，两者自旋进动很难达到共振。研究团队利用原子磁矩之间的耦合，通过调节外磁场减小碱金属Rb自旋感受到的有效磁场，同时增大惰性气体Ne的有效磁场，在外磁场精确调制到特定值的时候，实现了两种原子自旋的共振状态。这种共振使Ne核自旋弛豫时间被碱金属影响，使得其原子核有效宽度从NMR模式下的0.01Hz量级扩展到35Hz量级，大幅提高暗物质质量的探测范围。同时，由于碱金属处于无自旋交换弛豫（SERF）态，该体系可以实现极高的探测灵敏度。这一新模式具有宽频响应、高灵敏度和良好稳定性的优势，在显著缩短数据采集时间的同时，有效提升了实验灵敏度。相较于传统的共振型方案，上述研究为未来开展宽频谱的超轻暗物质探索开辟了新方向。

此外，实验还在核自旋自补偿模式下探测了5Hz以下的暗物质质量范围。该研究通过混合自旋共振和核自旋自补偿模式对0.01 Hz至1 kHz频率范围内的轴子暗物质进行搜寻，获得了世界领先的实验室测量灵敏度。在轴子-中子耦合方面，部分低频区域的结果超过了普林斯顿大学K-3He实验的灵敏度[1]，且超越了天文学超新星爆发和中子星冷却的观测限制；在[15, 100]Hz高频区域则优于其它实验室结果。在轴子-质子耦合方面，该研究在[0.01，700]Hz范围内取得了当前实验室最佳灵敏度。具体研究结果见图1。

图1：轴子暗物质与中子（左）和质子（右）耦合强度的实验测量限制。横轴表示暗物质质量对应的康普顿频率。红色线为本次ChangE合作组的研究结果，包括混合自旋HSR模式以及自补偿SC模式。

北京航空航天大学魏凯教授和博士毕业生徐子童为论文的共同第一作者，季伟、刘佳和房建成为共同通讯作者。合作者还包括北京航空航天大学全伟教授、王小平副教授、博士研究生衡星和黄晓菲，北京大学物理学院博士毕业生何雨轩（现为香港城市大学博士后）、博士研究生马小林，以及德国美因茨大学Dmitry Budker教授。上述研究工作得到了国家自然科学基金、科技创新2030重大专项、核物理与核技术全国重点实验室和北京大学高能物理研究中心的支持。

论文原文链接

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

参考文献

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