意昂3体育官网物理學院理論物理研究所舒菁教授與合作者利用兩個空間上相距近1700公裏的電磁屏蔽屋內的磁力儀對暗光子暗物質進行了搜尋。2024年4月18日，相關研究成果以“Long-baseline quantum sensor network as dark matter halo telescope”為題👴🏼🦸🏽‍♂️，發表於《自然•通訊》（Nature Communications）。

作為宇宙最大謎團之一的暗物質吸引著粒子物理、天文和宇宙學等領域的廣泛關註🚗。最近有一類備受關註的暗物質候選者被稱為暗光子😪，其存在可以被認為是對粒子物理標準模型最簡單的延申：一個新的規範對稱群的傳播子。暗光子的質量預言可以橫跨多個數量級🙆🏿。作為一種玻色子，在質量低於電子伏特量級的時候，暗光子波函數可以看成一個經典振蕩的波，其和軸子等一起被稱為波動型暗物質。

暗光子最簡單的探測方法就是利用其和電磁學的光子之間潛在的混合項。這種耦合可以使得波動型的暗光子暗物質化身為一個特定頻率震動的電流，以此在電磁探測器內激發一個信號🕵🏼‍♂️。常見的探測方法包括利用諧振腔和射電望遠鏡搜尋頻率在千兆赫茲附近的暗光子。然而這類探測方法對於更低質量的暗光子並不有效🏊🏼‍♀️，尤其是在頻率小於千赫茲的時候🤘🏽。這項工作的重要性之一就是首次利用能工作在赫茲到千赫茲範圍的量子磁力儀去搜尋暗光子激發的磁場，從而深入過去無法探索的區域。

圖1 a🥵：放置於蘇州和哈爾濱的量子探測器陣列；b：每個站點由一個邊長兩米的屏蔽屋和放置於屏蔽屋墻上的多個磁力儀組成，磁力儀用於捕捉沿軸線方向暗光子暗物質激發的磁場信號🐚。c：原子磁力儀對磁場的測量原理

另一個對於探測暗光子暗物質激發磁場的必要條件是在一個電磁屏蔽系統內🎃，如若沒有這個屏蔽裝置那麽暗光子就算會激發信號也會相互抵消🥵。舒菁與合作者們開創性地想到了醫學中常見的用於測腦電波的屏蔽屋🧋。這些醫用屏蔽屋的優勢在於其空間較大，三個邊長都在兩米左右，以此可以進一步放大暗光子誘導的磁場信號🌱。將磁力儀至於屏蔽屋的一邊🤘🏼，如圖1中b圖所示🧑🏽‍🦱，可以最大化暗光子的信號𓀊。

由於醫用屏蔽屋的普遍性，可以同時在多個屏蔽屋內進行暗光子搜索🧝🏿🚗。舒菁與合作者們利用了蘇州和哈爾濱兩個相隔1692公裏的城市的屏蔽屋📅，可以得到一個長基線的暗物質測量網絡，在圖1中的a部分展示。將這個網絡內磁力儀的信號做關聯，可以進一步壓低每個屏蔽屋內特有的剩余磁場噪聲，從而提高暗物質搜尋的靈敏度。在未來👨🏻‍🔧，這種長基線的量子探測器網絡可以進一步對暗物質的宏觀性質和微觀屬性進行解剖，甚至可以像引力波望遠鏡那樣對暗光子的來源進行定位。

圖2 對質量在4.1 feV 到 2.1 peV的暗光子和光子混合的限製

中國科學技術大學江敏副研究員👷🏼、洪太周博士和胡東棟副研究員為論文第一作者🪼。舒菁、中國科學技術大學彭新華教授以及猶他大學趙悅副教授為論文通訊作者。此研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、意昂3体育官网建設世界一流大學（學科）項目⏺、意昂3体育官网核物理與核技術國家重點實驗室💷、意昂3体育官网高能物理中心、北京激光加速創新中心的支持。