北京大学物理学院理论物理研究所舒菁教授与合作者利用两个空间上相距近1700公里的电磁屏蔽屋内的磁力仪对暗光子暗物质进行了搜寻。2024年4月18日，相关研究成果以“长基线量子传感器阵列作为暗物质晕望远镜”（Long-baseline quantum sensor network as dark matter halo telescope）为题，发表于《自然•通讯》（Nature Communications）。
作为宇宙最大谜团之一的暗物质吸引着粒子物理、天文和宇宙学等领域的广泛关注。最近有一类备受关注的暗物质候选者被称为暗光子，其存在可以被认为是对粒子物理标准模型最简单的延申：一个新的规范对称群的传播子。暗光子的质量预言可以横跨多个数量级。作为一种玻色子，在质量低于电子伏特量级的时候，暗光子波函数可以看成一个经典振荡的波，其和轴子等一起被称为波动型暗物质。
暗光子最简单的探测方法就是利用其和电磁学的光子之间潜在的混合项。这种耦合可以使得波动型的暗光子暗物质化身为一个特定频率震动的电流，以此在电磁探测器内激发一个信号。常见的探测方法包括了利用谐振腔和射电望远镜搜寻频率在千兆赫兹附近的暗光子。然而这类探测方法对于更低质量的暗光子并不有效，尤其是在频率小于千赫兹的时候。这项工作的重要性之一就是首次利用能工作在赫兹到千赫兹范围的量子磁力仪去搜寻暗光子激发的磁场，从而深入过去无法探索的区域。
图一：a：放置于苏州和哈尔滨的量子探测器阵列；b：每个站点由一个边长两米的屏蔽屋和放置于屏蔽屋墙上的多个磁力仪组成，磁力仪用于捕捉沿轴线方向暗光子暗物质激发的磁场信号。c：原子磁力仪对磁场的测量原理。
另一个对于探测暗光子暗物质激发磁场的必要条件是在一个电磁屏蔽系统内，如若没有这个屏蔽装置那么暗光子就算会激发信号也会相互抵消。舒菁与合作者们开创性地想到了医学中常见的用于测脑电波的屏蔽屋。这些医用屏蔽屋的优势在于其空间较大，三个边长都在两米左右，以此可以进一步放大暗光子诱导的磁场信号。将磁力仪至于屏蔽屋的一边，如图1中b图所示，可以最大化暗光子的信号。
由于医用屏蔽屋的普遍性，可以同时在多个屏蔽屋内进行暗光子搜索。利用了苏州和哈尔滨两个相隔1692公里的城市的屏蔽屋，可以得到一个长基线的暗物质测量网络，在图1中的a部分展示。将这个网络内磁力仪的信号做关联，可以进一步压低每个屏蔽屋内特有的剩余磁场噪声，从而提高暗物质搜寻的灵敏度。在未来，这种长基线的量子探测器网络可以进一步对暗物质的宏观性质和微观属性进行解剖，甚至可以像引力波望远镜那样对暗光子的来源进行定位。
图二：对质量在4.1 feV到 2.1 peV的暗光子和光子混合的限制。
中国科学技术大学江敏副研究员、洪太周博士和胡东栋副研究员为论文第一作者。舒菁、中国科学技术大学彭新华教授以及犹他大学赵悦副教授为论文通讯作者。此研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京大学建设世界一流大学（学科）项目、北京大学核物理与核技术国家重点实验室、北京大学高能物理中心、北京激光加速创新中心的支持。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47566-0
