硬核科技手记

中国科大：暗物质实验超出天文观测限制！
​1月28日，发表在《自然》（Nature）杂志上的一项研究显示，中国科大实验室没有观测到暗物质，但实验精度很高，超出了天体物理观测极限。
暗物质的微观本质是现代物理学的一大谜团。轴子是当前理论动机最强的暗物质候选粒子之一，其构成的场在宇宙早期相变中可能产生拓扑缺陷（topological defect）——这是一种类似宇宙弦或畴壁的、具有稳定结构的宏观“褶皱”。当这种结构穿越地球时，会与地面上部署探测器中的原子核自旋发生相互作用产生旋转信号。但信号极其微弱且持续时间短，难以探测。
​中国科大的研究团队，构建了基于核自旋的城际量子传感网络，并将其用于探测对拓扑缺陷轴子暗物质。在本次试验中他们没有观测到暗物质，但实验精度更高，超出了天体物理观测极限，研究团队新性地发展了核自旋量子精密测量技术，原理性突破了惰性气体原子（¹²⁹Xe）核自旋对瞬时信号的响应探测难题，将微秒级的暗物质拓扑缺陷结构信号“存储”到接近分钟级的核自旋相干态中，同时结合核自旋量子放大技术，将微弱信号放大了至少100倍，自旋旋转探测灵敏度达到约1微弧度，相比之前实验室探测技术，灵敏度提高约4个量级。
​为进一步提升探测灵敏度，研究团队将5台传感器分别放在合肥与杭州，并利用卫星同步实现跨度为320千米的分布式量子传感，又将误报率降低3个数量级。在连续观测2个月后，研究团队给出的限制条件已经比超新星SN1987A的天体物理限制高出40倍，在该质量区间实现了实验室探测对天文观测的超越。