中科大发布新成果！暗物质究竟是什么？| 袁岚峰

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导读


如果有一天报道，中国科学家找到了第五种基本相互作用，请大家不要奇怪。

最近，《人民日报》发了一篇文章《中科大发布新成果！》。实际上，这是我的同事和朋友彭新华教授的团队与德国科学家合作的成果，她几个月之前就跟我说了这件事。2021年11月18日，论文终于在《自然·物理学》正式上线了，所以媒体开始宣传了。

这论文的标题是《用基于自旋的放大器搜寻类轴子暗物质》（Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers）。呃，这说的是啥？普通人恐怕看明白其中的一个关键词都困难。人民日报的编辑想必也是如此，既然完全看不明白，干脆放弃治疗了，标题仅仅写一个《中科大发布新成果！》，结尾叹号，至于成果是啥就完全不提了。从这个标题，就能看出他们既自豪、又懵懂、又弃疗的心情。

下面我来解释一下。首先，这个成果是搜寻暗物质。所谓暗物质，就是看不见的物质。看不见为什么要相信它存在？因为看不见的意思是它不参与电磁相互作用，但我们已经知道它参与引力相互作用。日常生活中感觉不到，但在宇宙尺度上经常会发现实际的引力作用比可见物质表现出来的强得多。例如星系的旋转，天文学家早就发现星系似乎旋转得太快了，如果星系中只有可见物质，那么它们应该早就解体了。对此最方便的解释，就是存在暗物质，它们把星系维系在一起。

根据这些观测结果，现在一般认为可见物质只占整个宇宙的不到5%，而暗物质占了27%左右。那还剩60%多是什么？那是比暗物质更加奇妙的暗能量，是一种让宇宙加速膨胀的力量。所以人民日报的报道中说：“在宇宙物质质量组成中暗物质约占85%，然而迄今为止还没有找到暗物质存在的直接证据。”这指的是在可见物质的5%加上暗物质的27%中，暗物质约占85%，不包括暗能量。

然后，暗物质究竟是什么？现在还不知道，这是整个物理学最重要的未解之谜之一。对它有很多种猜想，例如“弱相互作用大质量粒子”（weakly interacting massive particles，简称WIMP，这个简称是“懦夫”的意思）。另一种吸引了很多关注的猜想是“轴子”（axion）（诺奖得主Wilczek：粒子物理学将去往何方？| 赛先生），以及多种类似轴子的粒子，它们都是轻的赝标量粒子。此文搜索的，就是这些类轴子的暗物质。

为了寻找暗物质，各国纷纷布局了一系列国家级甚至世界级的实验探测计划（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77600.htm），如丁肇中领衔的阿尔法磁谱仪AMS、美国华盛顿大学主导的轴子暗物质实验ADMX、中国科学院紫金山天文台主导的“悟空”卫星DAMPE、中国锦屏地下实验室的PandaX、清华大学主导的中国暗物质实验CDEX和欧洲核子中心的太阳轴子望远镜CAST等。但到目前为止，还没有找到暗物质存在的确切证据。

那这些实验的成果是什么？它们典型的成果都是，压低了暗物质的参数上限。比如说有个理论模型预测在某种条件下会平均一个月看到一次某种事件，但观测结果是一年都没有看见一次，那就可以排除这种模型。或者说任何模型要想存活下来，都需要满足这些实验的定量限制。

Dmitry Budker

彭新华等人对比的主要是CASPEr，它是Cosmic Axion Spin Precession Experiment的缩写，即宇宙轴子自旋进动实验，这个简称同时也是一个卡通小精灵的名字。CASPEr的提出者、德国的Dmitry Budker教授，也是彭新华这篇论文的合作者。CASPEr的原理是（诺奖得主Wilczek：粒子物理学将去往何方？| 赛先生），通过宇宙轴子背景可以诱发原子核电偶极矩的微小振荡，在相互垂直的磁场和电场中，这一振荡会让核自旋发生进动，进而诱发一个很小但也许能探测到的振荡磁场。如果找到了，这就是轴子存在的证据。当然他们还没有找到，但已经把轴子与核自旋耦合的上限压到了一个很低的水平，具体而言是10^(-2) GeV^(-1)，这是此前的最佳值。

然后，彭新华等人的成果是什么？他们发明了一种新的量子精密测量的方法，把这个上限压低了5个数量级，而且比所谓宇宙天文学界限5 * 10^(-8) GeV^(-1)还低，也就是说任何天文学方法都不如他们的精度高（原本需要15万年才能解决的问题，有了它只需1秒 | 彭新华）。更有趣的是，他们的方法还是桌面式的，也就是说一张桌子就能放下，是一个规模很小的实验，比以前的各种暗物质探测实验都便宜多了。

大型天文学观测给出的暗物质界线

“桌面式”实验观测”给出的暗物质界线

大家可以看这两张图。前一张是大型天文学观测给出的暗物质界线，这个界线足够高，暗物质粒子在里面畅游，嬉皮笑脸。后一张是彭新华等人给出的新界线，这个界线就低得多了，暗物质粒子在里面好像被压在五行山下一样，愁眉苦脸。这两个图的横坐标是暗物质粒子的质量，用能量单位eV来表示，因为质量乘以光速的平方就是能量。他们获得的最低上限是2.9 * 10^(-9) GeV^(-1)，出现在67.5 feV的地方。

在探测原理上，他们利用一种全新的自旋放大效应，用气态氙和铷原子混合蒸气室实现了迄今为止最佳灵敏度的核自旋磁传感器。简而言之，就是他们可以实现超高灵敏度的磁场探测。

有人也许会问，这个成果能不能得诺贝尔奖？回答是：还不能，因为它只是把对某一类暗物质候选者的探测精度提高了5个量级，还没有找到暗物质。如果找到了暗物质，那当然就远不是诺贝尔奖的问题了，而是引发科学革命。不过现在，还处于“工欲善其事必先利其器”的阶段。

医院的核磁共振设备

最后，我可以告诉大家的是，量子精密测量不但可以用于探测暗物质，还可以在日常生活的许多地方发挥作用。例如现在医学的磁共振成像需要强磁场，这对戴心脏起搏器的人很不利，而用他们的技术，就可以实现零磁场的磁共振成像。在我最近出版的科普书《量子信息简话》中，就介绍了这个零磁场的磁共振成像。它不但取消了对磁场的要求，还大大降低了成本，可望对许多患者带来福音。

此外，量子精密测量还可以用来探测其他超越标准模型的新物理。如果有一天报道，中国科学家找到了第五种基本相互作用，请大家不要奇怪。

扩展阅读：

背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

责任编辑：杨娜