自从发现星系旋转曲线异常现象后，暗物质作为宇宙的重要组成部分引起了广泛关注。研究暗物质的性质不仅能够帮助理解宇宙的结构和演化过程，同时对粒子物理学也有深远的影响。暗光子作为一种假设的超轻玻色子，是暗物质的重要候选者之一。通过微弱的动量混合，暗光子能够与普通光子相互作用，成为标准模型的自然扩展。该特性吸引了国内外众多粒子物理、天文观测和量子精密测量团队的研究兴趣，其参数空间的探索已经成为国际竞争的焦点。
近日，北京大学物理学院理论物理研究所舒菁教授领导的山河合作组（SHANHE，Superconducting cavity as High-frequency gravitational wave, Axion, and other New Hidden particle Explorer）在全球首次利用超导射频腔扫描搜寻暗光子暗物质(DPDM)，在1.3 GHz频段获得了对暗光子暗物质最严格的参数限制。相关研究成果以“首次利用可调超导射频腔扫描搜寻暗光子暗物质”(First Scan Search for Dark Photon Dark Matter with a Tunable Superconducting Radio-Frequency Cavity)为题，于2024年7月12日在线发表于国际权威物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
暗光子的动量混合使其作为暗物质表现为一种电流源，可以激发电磁场。暗物质的非相对论性质使得该电流源在频率空间上集中在其质量附近的一条窄带。当暗光子的康普顿波长与谐振腔尺寸相当时，其激发的电磁场可以通过谐振效应被大幅放大。超导射频(SRF)腔具有极高品质因子，比传统谐振腔高出5个数量级，显著降低噪声水平，从而极大地提高暗光子检测的灵敏度。
图1：左：安装调谐器的超导腔实物图；右：实验电路设计图
由于暗物质质量区间未知，对暗光子暗物质的搜寻除了需要极高灵敏度外，还需要快速覆盖不同的质量区间。山河合作组利用图1所示的2K液氦环境中的超导射频腔，首次在超导腔体上使用机械调谐器，在短时间内进行了1150次扫描。在初始频率接近1.299 GHz的情况下，覆盖了1.37 MHz的频率范围。研究团队还设计了世界上第一个适用于极高品质因子的数据处理方法，对扫描范围内的暗光子暗物质进行了严格的排除。该实验排除的参数空间，如图2所示。
图2：基于SRF扫描搜索对DPDM动量混合系数 ϵ 的90%排除限制(红色)
山河合作组的结果在全球范围内领先于其他竞争对手，如美国的费米实验室的SQMS（图2）。预计这项工作将激励未来在该领域的研究，特别是新型频率调谐器和腔体的发展，能够探索更大的参数空间。超导射频腔极高品质因子允许多种增强方法来提高灵敏度，包括压缩技术、无破坏光子计数、以及同时实现纠缠和状态交换等。山河合作组还计划进行轴子暗物质和高频引力波的探测等一系列前沿物理研究。
北京大学副研究员汤振兴和中国科学院大学博士研究生王博为本文共同第一作者，北京大学博雅教授舒菁为本文通讯作者，相关合作单位包括北京大学物理学院重离子所射频超导加速器实验室、中国科学院高能物理研究所、中国科学院大学亚太理论物理中心、尼尔斯玻尔研究所、中国科学院理论物理研究所、以及北京量子信息科学研究院。
上述研究工作得到科技部、国家自然科学基金、北京大学启动基金、北京大学核物理与核技术国家重点实验室和北京大学高能中心等支持。
论文原文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.021005
