暗物质是天文观测中发现的一种未知物质，它具有引力相互作用但不发光。由于粒子物理标准模型无法解释其存在，暗物质成为当前物理学中的重要问题之一。超轻质量玻色粒子是其中一种潜在的暗物质候选者，暗光子是代表性粒子之一。超轻暗光子作为暗物质的候选者备受物理学家关注，它与光子的动力学混合，具有微弱的类似光子的电磁相互作用，但具有非零质量。作为宇宙中的暗物质候选者，超轻暗光子表现出类似于宇宙微波背景辐射的特性，但其能量具有单频特征。
暗光子与光子之间存在着类似于不同味道中微子之间的振荡转化现象。与中微子振荡相似，暗光子-光子振荡转化也受到物质效应的影响。在太阳日冕层等离子体环境下，当太阳等离子体频率对应的质量与暗光子暗物质的质量相匹配时，暗光子振荡转化为光子的过程将受到共振增强。太阳等离子体的密度随着距离太阳表面的高度下降，因此其等离子体频率存在一定的范围。假设暗光子具有特定质量，可以在距离太阳某个半径处使得等离子体频率与暗光子暗物质的质量相匹配。通过计算该半径处暗光子共振转化为光子的流强，可以得到在太阳物理观测中暗光子暗物质的光子信号。由于太阳系暗物质的运动速度较低，该光子信号的频率等于暗物质的康普顿频率，可通过目前主流的射电望远镜进行探测。2021年清华大学安海鹏副教授、中山大学黄发朋副教授、北京大学刘佳研究员和佛罗里达大学薛巍助理教授提出利用上述原理来观测在太阳日冕层中发生共振转化的暗光子暗物质信号（Physical Review Letters 126, 181102 (2021)）。
图1. 示意图
北京大学物理学院和核物理与核技术国家重点实验室刘佳研究员和清华大学物理系安海鹏副教授、格拉斯哥大学物理与天文学院博士后陈星瑶、北京大学高能物理研究中心博士后葛帅良、北京大学物理学院博士生罗彦，针对低频阵列射电望远镜（LOFAR）的太阳物理观测数据展开了细致研究，重点关注暗光子暗物质所产生的单频光子信号。在振荡转化计算方面，通常采用WKB近似来线性化振荡方程。通过对太阳等离子体的小尺度结构和涨落进行深入研究，证明了上述因素不会使WKB近似失效，取得了暗物质康普顿频率在30MHz至80MHz范围内的单频光子信号的流强上限，并设定了30-60MHz范围暗光子暗物质与光子间动力学耦合强度的最强实验限制。刘佳与合作者利用实验数据进一步验证了利用射电望远镜寻找在太阳系等离子体中寻找暗光子暗物质共振转化信号的可行性。相关成果以“利用低频射电阵列数据在太阳日冕层中搜索超轻暗物质的转换”（Searching for ultralight dark matter conversion in solar corona using Low Frequency Array data）为题于2024年1月31日发表于《自然•通讯》（Nature Communications）。
图2. 来自LOFAR太阳观测数据的暗光子暗物质耦合强度限制
该研究得到国家自然科学基金、科技部、清华大学笃实计划、北京大学高能物理研究中心、北京大学博雅博士后、博士后国际交流计划引进项目、北京大学建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项等资助。
论文原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-45033-4
