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2021年11月23日
【中国青年报客户端】中德科学家研发新技术为暗物质搜寻提供变革性手段

中国青年报客户端讯(桂运安 中青报·中青网记者 王海涵 王磊)中国科学技术大学彭新华教授研究组与德国科学家合作开发出一种新型超灵敏量子精密测量技术,并用于暗物质的实验直接搜寻,实验结果比先前的国际最好水平提升至少5个数量级,首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限。相关成果日前在线发表于《自然·物理学》。

宇宙物质组成中的绝大部分为暗物质,占到了约85%,我们所熟悉的普通物质只占约15%。为了寻找这些神秘的暗物质粒子,多个国家布局一系列实验探测计划,然而迄今为止还没有找到暗物质存在的直接证据。

彭新华研究组利用气态氙和铷原子混合蒸气室,发明了具有超高灵敏度的新型核自旋量子测量技术,实现了国际最佳灵敏度的核自旋磁传感器。该技术利用激光先极化铷原子蒸气,再利用铷与气态氙原子的自旋交换碰撞,从而将氙原子的核自旋极化。相比传统热极化方法,新技术利用光极化的方法获得了接近0.3的自旋极化度,远超过传统方法。

据介绍,传统方法采用对氙原子进行外部探测,而新技术通过铷原子与氙原子的随机自旋交换碰撞,就可以将氙原子的信号高灵敏读出,极大简化了装置体积和复杂度。基于该物理机制,研究人员设计出磁场量子放大器,并将这台自旋放大器与团队已发展的原子磁力计相结合,将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍。

大量理论预测,暗物质与原子核会发生极微弱的相互作用,这种相互作用相当于在原子核自旋上施加一个微小磁场——“赝磁场”。利用超灵敏磁场探测装置可以检验这一微小的赝磁场,以此来寻找暗物质粒子存在的迹象。彭新华研究组利用自旋放大器来放大暗物质产生的“赝磁场”,大大提高暗物质的搜寻灵敏度。相比传统大型科学装置,该设备只需桌面尺寸的空间布局。

彭新华说,这一成果有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学的研究兴趣。

中国青年报客户端2021年11月22日

https://s.cyol.com/articles/2021-11/22/content_DjGJMxs2.html?gid=2V1Qqd1E


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