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PRL：费米实验室的新研究照亮“暗光子”的探索之路
它可能是通往暗物质世界的桥梁，亦或是暗物质本身。
现在，美国能源部费米国家加速器实验室从事超导射频（superconducting radiofrequency，SRF）实验的科学家们在用于搜索暗光子粒子的实验装置中展示了前所未有的灵敏度。
——这项实验为暗物质光子在特定质量范围内的存在提供了世界上最好的约束。
我们看到的世界中普通物质的光，是由被称为光子的粒子构成的。但普通物质只占所有物质的一小部分。我们的宇宙中充满了一种叫做暗物质的未知物质，它占所有物质的 85%。
就像电子有在某些方面不同的副本（包括μ介子等），暗光子也会与普通光子不同，并具有质量。理论上，光子和暗光子一旦产生，就可以按照暗光子特性设定的特定速率相互转化。
为了寻找暗光子，研究人员进行了一种名为“光照穿墙实验（light-shining-through-wall，LSW） ”的实验。这种方法使用两个空心金属腔来探测普通光子向暗物质光子的转化。科学家将普通光子储存在一个空腔中，而另一个空腔则是空的。然后，他们在空腔中寻找光子。
合作者使用的SRF空腔是中空的铌块，当冷却到超低温时，这些空腔可以很好地存储光子或电磁能量包。在“暗SRF”实验中，科学家们将SRF空腔在液氦浴中冷却到2 K左右，接近绝对零度。在这个温度下，电磁能毫不费力地流过铌，这使得这些空腔能够有效地存储光子。
费米实验室 SQMS 中心的研究人员拥有多年使用 SRF 腔的专业知识，SRF 腔主要用于粒子加速器。由于SRF空腔能够高效地存储和利用电磁能，SQMS中心的研究人员现在已经将SRF空腔用于其他用途，例如量子计算和暗物质搜索。
研究团队现在可以使用具有不同共振频率的 SRF 腔体来覆盖暗光子潜在质量范围的各个部分。这是因为暗光子质量的峰值灵敏度与其中一个SRF腔中存储的普通光子的频率直接相关。
与以前的搜索相比，这一新实验装置提高了灵敏度，并覆盖了新的暗光子参数空间。利用工作频率为 1.3 GHz 的空腔，团队为提出了动力学混合的新排除极限：ε=1.6×10−9，并为2.1×10−7–5.7×10−6eV的暗光子提供了世界上最好的约束。此外，这些数据通过搜索纵向光子极化，为标准模型光子质量设定了一个有竞争力的实验极限。
团队还对实验进行了多次跟踪和交叉检查。SRF空腔开启了许多新的搜索可能性，并覆盖了暗光子质量的新参数区域——这表明了它们的成功性、竞争力和未来的巨大前景。
暗SRF实验为SQMS中心正在探索的新一类实验铺平了道路，在这些实验中，这些空腔可以被用作极其灵敏的探测器，SQMS中心主任兼该实验的共同PI Anna Grassellino表示：“从暗物质到引力波搜索，再到量子力学的基本测试，这些‘空腔’将帮助我们发现新物理学的蛛丝马迹。”
参考链接：[1]https://phys.org/news/2023-07-ultra-sensitivity-dark-photon.html[2]https://scitechdaily.com/probing-the-abyss-fermilabs-dark-srf-experiment-illuminates-the-search-for-dark-photons/[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.261801[4]https://interestingengineering.com/innovation/dark-photon-search-ultra-sensitive