近日，各大媒体集中报道一项重要的科学进展：位于中国科学技术大学的中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副教授等研究人员，利用量子精密测量技术在“轴子窗口”内成功开展了轴子暗物质的直接搜寻实验，将国际上该领域的探测界限提升了至少50倍。研究成果日前发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。
暗物质与轴子
宇宙是由什么组成的？
这样一个基本的问题，随着我们对宇宙探索的不断深入，不是越来越清晰，而是越来越“迷糊”了。至今科学家能够给出的，只是一个十分粗略的宇宙结构“金字塔图景”。
我们所熟悉的世界，即由普通的原子构成的一草一木、山河星月，仅占整个宇宙的4%，相当于金字塔顶的那一块。下面的22%，则为暗物质。这种物质由仍然未知的粒子构成，它们不参与电磁作用，无法用肉眼看到。但其和普通物质一样，参与引力作用，因此仍可能探测到。作为塔基的74%，则由最为神秘的暗能量构成。它无处不在，无时不在，由于我们对其性质知之甚少，所以科学家还不清楚如何在实验室中验证其存在。
新世纪之初，美国国家研究委员会发布一份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的研究报告，科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重，“暗物质”的本质问题和“暗能量”的性质问题在报告所列出的11个大问题中分列为第一、第二位。
暗能量看不见摸不着，科学家们现在还不知道探究的具体路径和方法，所以有人戏称世界上有多少暗能量研究专家，就有多少关于暗能量的理论。但暗物质因为可以参与引力作用，所以成为各方研究的重点。
诸多超越标准模型的理论例如大一统理论、弦理论以及超维理论等，都预言了暗物质可能是由“轴子”这种微观粒子所组成的。“轴子”可以与标准模型粒子相互作用，引起标准模型粒子微弱的能级移动。
量子精密测量的相关工作
近年来，Nature和Physics Reports等国际权威学术期刊相继发表文章指出，一些特定理论模型（例如高温格点QCD模型和SMASH模型）预测轴子和Z'玻色子极有可能存在于所谓的“轴子窗口”（10ueV-1meV）内。然而，由于轴子暗物质的信号极其微弱，极易被环境噪声和经典磁场的干扰信号所掩盖，因此仅有少数研究团队在这一质量范围开展过实验搜寻。
中国科学院微观磁共振重点实验室的研究人员巧妙地利用了两个相距60毫米的极化129Xe原子系综，在轴子窗口内探测轴子暗物质诱导的自旋相关相互作用。研究人员在实验装置中以一个原子系综充当自旋传感器，另一个原子系综作为自旋源，为了提高原子系综核自旋的极化度或者探测灵敏度，他们在原子系综中混入碱金属，成功实现了对原子系综极化矢量信号高达145倍的放大，构建了一个超灵敏的轴子暗物质探测器。
然而，由于轴子暗物质信号极其微弱，经典磁场干扰可能成为高灵敏识别轴子信号的巨大挑战。为了克服这一挑战，研究人员精心设计了磁屏蔽系统，成功把经典磁场信号抑制了 1010倍。此外，他们还采用了在引力波探测中广泛应用的最优滤波技术，最大限度地提高轴子暗物质信号的信噪比。尽管研究人员暂时未能发现轴子暗物质存在的直接证据，但他们仍在“轴子窗口”内给出了迄今为止最强的中子-中子耦合界限，创造了新的国际最佳纪录。
研究的价值与意义
论文于11月4日在国际著名学术期刊《物理评论快报（Physical Review Letters）》上发表的同时，美国物理学会的Physics Viewpoint栏目发表了由印第安纳大学伯明顿分校的Michael Snow教授撰写的专文评述，他认为“该工作的独特亮点在于研究人员创新性地引入了两种新技术——磁放大技术和信号模板，从而将轴子暗物质的探测灵敏度提高约两个数量级，超越了国际最先进水平”。
除了科学探究之外，这项研究发展的技术还具有远景的实际应用价值，比如通过提高核磁共振的精度来实现精准医疗，以及开展更为精密的深海探测等。
