中科大發布新成果！暗物質究竟是什麼？| 袁岚峰
19分鐘前
如果有一天報道，中國科學家找到了第五種基本相互作用，請大家不要奇怪。
最近，《人民日報》發了一篇文章《》。實際上，這是我的同事和朋友彭新華教授的團隊與德國科學家合作的成果，她幾個月之前就跟我說了這件事。2021年11月18日，論文終于在《自然·物理學》正式上線了，所以媒體開始宣傳了。
這論文的标題是《用基于自旋的放大器搜尋類軸子暗物質》（Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers）。呃，這說的是啥？普通人恐怕看明白其中的一個關鍵詞都困難。人民日報的編輯想必也是如此，既然完全看不明白，幹脆放棄治療了，标題僅僅寫一個《中科大發布新成果！》，結尾歎号，至于成果是啥就完全不提了。從這個标題，就能看出他們既自豪、又懵懂、又棄療的心情。
下面我來解釋一下。首先，這個成果是搜尋暗物質。所謂暗物質，就是看不見的物質。看不見為什麼要相信它存在？因為看不見的意思是它不參與電磁相互作用，但我們已經知道它參與引力相互作用。日常生活中感覺不到，但在宇宙尺度上經常會發現實際的引力作用比可見物質表現出來的強得多。例如星系的旋轉，天文學家早就發現星系似乎旋轉得太快了，如果星系中隻有可見物質，那麼它們應該早就解體了。對此最方便的解釋，就是存在暗物質，它們把星系維系在一起。
根據這些觀測結果，現在一般認為可見物質隻占整個宇宙的不到5%，而暗物質占了27%左右。那還剩60%多是什麼？那是比暗物質更加奇妙的暗能量，是一種讓宇宙加速膨脹的力量。所以人民日報的報道中說：“在宇宙物質質量組成中暗物質約占85%，然而迄今為止還沒有找到暗物質存在的直接證據。”這指的是在可見物質的5%加上暗物質的27%中，暗物質約占85%，不包括暗能量。
然後，暗物質究竟是什麼？現在還不知道，這是整個物理學最重要的未解之謎之一。對它有很多種猜想，例如“弱相互作用大質量粒子”（weakly interacting massive particles，簡稱WIMP，這個簡稱是“懦夫”的意思）。另一種吸引了很多關注的猜想是“軸子”（axion）（），以及多種類似軸子的粒子，它們都是輕的赝标量粒子。此文搜索的，就是這些類軸子的暗物質。
為了尋找暗物質，各國紛紛布局了一系列國家級甚至世界級的實驗探測計劃（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77600.htm），如丁肇中領銜的阿爾法磁譜儀AMS、美國華盛頓大學主導的軸子暗物質實驗ADMX、中國科學院紫金山天文台主導的“悟空”衛星DAMPE、中國錦屏地下實驗室的PandaX、清華大學主導的中國暗物質實驗CDEX和歐洲核子中心的太陽軸子望遠鏡CAST等。但到目前為止，還沒有找到暗物質存在的确切證據。
那這些實驗的成果是什麼？它們典型的成果都是，壓低了暗物質的參數上限。比如說有個理論模型預測在某種條件下會平均一個月看到一次某種事件，但觀測結果是一年都沒有看見一次，那就可以排除這種模型。或者說任何模型要想存活下來，都需要滿足這些實驗的定量限制。
Dmitry Budker
彭新華等人對比的主要是CASPEr，它是Cosmic Axion Spin Precession Experiment的縮寫，即宇宙軸子自旋進動實驗，這個簡稱同時也是一個卡通小精靈的名字。CASPEr的提出者、德國的Dmitry Budker教授，也是彭新華這篇論文的合作者。CASPEr的原理是（），通過宇宙軸子背景可以誘發原子核電偶極矩的微小振蕩，在相互垂直的磁場和電場中，這一振蕩會讓核自旋發生進動，進而誘發一個很小但也許能探測到的振蕩磁場。如果找到了，這就是軸子存在的證據。當然他們還沒有找到，但已經把軸子與核自旋耦合的上限壓到了一個很低的水平，具體而言是10^(-2) GeV^(-1)，這是此前的最佳值。
然後，彭新華等人的成果是什麼？他們發明了一種新的量子精密測量的方法，把這個上限壓低了5個數量級，而且比所謂宇宙天文學界限5 * 10^(-8) GeV^(-1)還低，也就是說任何天文學方法都不如他們的精度高（）。更有趣的是，他們的方法還是桌面式的，也就是說一張桌子就能放下，是一個規模很小的實驗，比以前的各種暗物質探測實驗都便宜多了。
大型天文學觀測給出的暗物質界線
“桌面式”實驗觀測”給出的暗物質界線
大家可以看這兩張圖。前一張是大型天文學觀測給出的暗物質界線，這個界線足夠高，暗物質粒子在裡面暢遊，嬉皮笑臉。後一張是彭新華等人給出的新界線，這個界線就低得多了，暗物質粒子在裡面好像被壓在五行山下一樣，愁眉苦臉。這兩個圖的橫坐标是暗物質粒子的質量，用能量單位eV來表示，因為質量乘以光速的平方就是能量。他們獲得的最低上限是2.9 * 10^(-9) GeV^(-1)，出現在67.5 feV的地方。
在探測原理上，他們利用一種全新的自旋放大效應，用氣态氙和铷原子混合蒸氣室實現了迄今為止最佳靈敏度的核自旋磁傳感器。簡而言之，就是他們可以實現超高靈敏度的磁場探測。
有人也許會問，這個成果能不能得諾貝爾獎？回答是：還不能，因為它隻是把對某一類暗物質候選者的探測精度提高了5個量級，還沒有找到暗物質。如果找到了暗物質，那當然就遠不是諾貝爾獎的問題了，而是引發科學革命。不過現在，還處于“工欲善其事必先利其器”的階段。
醫院的核磁共振設備
最後，我可以告訴大家的是，量子精密測量不但可以用于探測暗物質，還可以在日常生活的許多地方發揮作用。例如現在醫學的磁共振成像需要強磁場，這對戴心髒起搏器的人很不利，而用他們的技術，就可以實現零磁場的磁共振成像。在我最近出版的科普書《量子信息簡話》中，就介紹了這個零磁場的磁共振成像。它不但取消了對磁場的要求，還大大降低了成本，可望對許多患者帶來福音。
此外，量子精密測量還可以用來探測其他超越标準模型的新物理。如果有一天報道，中國科學家找到了第五種基本相互作用，請大家不要奇怪。
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