长基线量子传感器网络作为暗物质光子探测仪

学术背景

超轻暗光子（dark photons）作为暗物质的重要候选者之一，得到了广泛的理论和实验关注。根据动能混合机制（kinetic mixing mechanism），当暗光子与标准模型光子耦合时，会产生相干的电磁波，并且这种波应在暗光子的德布罗意波长范围内具有空间相关性。然而，尽管过去八十年来天体物理方面提供了丰富的暗物质存在证据，但其与标准模型粒子和场之间的非引力相互作用的直接探测仍未取得突破。为了应对这一挑战，提出了许多理论，其中一些理论预言了新的基础粒子的存在，如轴子（axions）和暗光子。

来源

这篇论文名为《Long-baseline quantum sensor network as dark matter haloscope》，由中国科学技术大学及其相关研究机构的多名研究者完成，具体包括Min Jiang, Taizhou Hong, Dongdong Hu, Yifan Chen, Fengwei Yang, Tao Hu, Xiaodong Yang, Jing Shu, Yue Zhao, Xinhua Peng和Jiangfeng Du。论文发表在Nature Communications，于2024年4月4日接受，发表于2024年。

研究工作流程

研究工作由若干主要步骤构成： 1. 研究共设有15个原子磁力计，这些磁力计分布在中国哈尔滨和中国苏州的两个电磁屏蔽室内，两个实验地点相隔1700公里。 2. 所有磁力计同步于全球定位系统（GPS），以确保在两个位置之间的实时数据对比。 3. 原子磁力计具有极高灵敏度，达到飞特斯拉（fT）级别，能够检测到接近屏蔽墙附近的电磁场无线电信号。 4. 通过数据同步和长基线测量，显著减少了许多本地噪音源，增强了对暗光子信号检测的可信度。 5. 使用动能混合参数ε的约束来评价暗光子暗物质在4.1feV至2.1PeV质量范围内的影响。

实验方法与数据分析

• 实验设备：使用五层护磁层的电磁屏蔽室，每个屏蔽室内部尺寸为2×2×2m³。
• 数据捕获与处理：所有原子磁力计网络的数据记录通过自定义数据采集系统并与GPS时间同步，计算每对磁力计的互相关频谱。
• 噪音处理：使用长基线阵列来区分技术噪音和可能的暗光子信号，通过对比噪音水平和信号的相关度来排除噪音干扰。

主要结果

1. 实验数据显示，在测量暗光子的4.1feV至2.1PeV质量范围内，动能混合参数ε可以受到显著约束。其中，测量的灵敏度比地面实验高出三个数量级，约为5×10^-6。
2. 通过对所有磁力计的数据进行交叉关联，实验展示报告了暗光子在1000公里以上范围内的相关信号的首次检测实验。
3. 在实验过程中，通过排除技术噪声和本地背景信号，确保了暗光子信号检测的有效性和可靠性。

结论及意义

1. 研究结果提供了最严格的关于暗光子动能混合参数在4.1feV至2.1PeV质量范围内的约束，远超之前任何地面实验。
2. 通过长基线量子传感器网络，显著降低了由于地理和天文因素带来的大规模噪声，实现了对暗光子信号的高敏感检测。
3. 这种量子传感器网络技术为未来的暗物质检测提供了新的思路和方向，特别是在进一步优化实验装置和增加检测点数量后，可以实现比现有水平高出几个数量级的灵敏度。

研究亮点

1. 使用15个同步的原子磁力计，首次在长达1700公里的基线上检测暗光子相关信号。
2. 实验在4.1feV至2.1PeV质量范围内，提供了最严格的动能混合参数约束，显著提升了暗光子信号检测的灵敏度。
3. 所采用的五层护磁电磁屏蔽室极大提高了对于dpdm信号的探测效率，研究展现了通过大型护磁室进行微弱无线电信号收集的潜力。

未来通过增加磁力计数量、扩大护磁室尺寸以及优化磁力计的灵敏度，可以进一步增强对暗光子暗物质的探测能力，并有望探索超越现有天文和宇宙学约束的新参数空间。