近日，中国工程物理研究院核物理与化学研究所（中物院二所）与宁波大学基础物理与量子科技研究院极化³He联合研究团队在超轻轴子暗物质的探索中取得重要进展。研究团队通过对极化³He/¹²⁹Xe量子磁强计测量数据的再分析，首次对质量低于10^-22电子伏特的极轻轴子-核子耦合实现了实验室约束，并超越了现有最强的天文观测限制。此外，在轴子质量大于约10^-22电子伏特的范围，该分析所得灵敏度已接近甚至优于欧洲散裂中子源国际合作团队此前提出实验方案的预期精度。2025年9月24日，相关成果以“New Limits on Ultralight Axionlike Dark Matter from Reanalyzed Data”为题，在线发表于Physical Review Letters期刊。

自希格斯粒子和引力波发现以来，暗物质和暗能量问题已成为当代物理学最引人注目的前沿课题之一。暗物质约占宇宙总物质的85%，其本质至今仍是现代物理学亟待解开的重大谜团。在众多暗物质候选粒子中，轴子因能够优雅地解决量子色动力学强?CP?破缺问题而备受关注。“美”往往被视为“真理”的先导，轴子理论以其内在的优雅与自洽，对众多理论物理学家产生了深刻的吸引力。理论上，轴子可能与标准模型中的各种粒子发生极其微弱的相互作用，但迄今人类尚未直接探测到暗物质。近年来，随着轴子搜寻的质量范围不断拓展，极轻轴子逐渐成为实验和理论研究的热点。极化³He联合创新团队长期致力于基于极化中子和极化³He的精密测量方法，探索超越标准模型的自旋依赖新相互作用。这类新相互作用的传播子可能是轴子和类轴子粒子。上世纪70年代，Peccei和Quinn为解决强相互作用中的CP问题，提出了包含新U(1)对称性并自发破缺的理论。随后，Weinberg和Wilczek指出该理论可能产生一种新的赝标量粒子——轴子。此外，超对称自发破缺和弦论等理论都预言存在与轴子性质相似的轻质量、弱耦合粒子，即类轴子粒子。轴子和类轴子粒子是冷暗物质的潜在候选者。因此，研究轴子及类轴子粒子是若干现代物理学与天文学最重要问题的交汇，是近年来的研究热点。

轴子可能在早期宇宙中产生并形成弥散在全空间的背景场。其赝标量特性导致其梯度场与费米子之间产生轴矢耦合。在低能极限下，轴子场的梯度算符与核子自旋耦合，其效应表现为一个有效磁场，能够引起极化原子核自旋的进动并产生微小可测的变化。极化³He正是探测这种“蛛丝马迹”的理想探针：一方面，³He原子具有完整的壳层结构，使其原子核不易受外界因素干扰；另一方面，³He是尺寸最小的单原子气体，与容器壁或杂质原子的相互作用极弱，进一步降低了外界干扰。此外，³He可通过自旋交换光学泵浦（SEOP）或亚稳态交换光学泵浦（MEOP）技术实现约80%的高极化率。高极化率、长退极化时间和长相干时间，使极化³He成为了自旋相关精密测量的优异探针。如今，极化³He已成为世界先进中子源（如美国散裂中子源、欧洲散裂中子源、美国国家标准与技术研究院中子研究中心等）最普遍装备的中子极化与分析技术。联合团队长期深耕³He极化技术，继2019年研制出国内首套用于中子极化的SEOP系统，2024年又成功研制首套MEOP系统。对相关技术的长期开发、应用与实践，使得团队对探测极化³He原子核的进动信号有独到的理解与掌握。

在更深的理论层面上，所有基本粒子都应按照庞加莱群的表示进行分类，这是基本粒子物理学的重要出发点之一。庞加莱群的不可约表示由粒子的基本属性——质量和自旋——所刻画，自旋与质量一样，是粒子的基本属性。作为一个轴矢量，自旋在许多基本对称性检验中扮演着核心角色。以1957年若干验证宇称不守恒的实验为例，研究者通过测量粒子动量在极化自旋方向上的投影，首次揭示了自然界P对称性的破缺。这一历史事实也凸显了极化自旋体系在探索新物理对称性中的独特价值。

研究团队对原用于检验洛伦兹与CPT对称性的极化³He/¹²⁹Xe自旋进动实验数据进行深度挖掘，创新性地引入似然分析方法，在10^-24至5×10^-21电子伏特的轴子质量区间内系统建立了轴子-核子耦合强度的实验室限制，取得了多方面的突破。首先，在质量低于10^-22电子伏特的极低质量区间，实现了实验室约束“从无到有”的突破；在10^-22至5×10^-21电子伏特区间内，将此前最严格的实验室限制精度提升了3个数量级以上，并首次超越了基于天文观测所获得的约束。此前，国际学者曾提出基于欧洲散裂中子源的中子束线，利用极化中子束的Ramsey干涉实验来进行精密测量。模拟结果表明，在理想条件下，经过约一年的积分统计，该实验可望首次突破天文观测给出的限制。研究团队的分析结果，在10^-22电子伏特质量区间内已达到与该方案相当的灵敏度，并在高于10^-21电子伏特的区间实现了明显超越，为极轻轴子暗物质的实验搜索建立了新的国际基准。该研究针对由地球自转引起的交变轴子场信号进行解调，适用于轴子场频率远低于地球自转频率的情况。尽管适用范围有限，但在可覆盖的频率区间内，对国际同行的实验方案提出了更高要求：若要在合理的时间和经济成本下突破该研究的精度，需要发展出更加高效与创新的实验方法。该工作另一个值得注意的贡献在于对相干轴子场初始相位问题的处理。由于所探测的轴子场频率极低且幅值极小，实验观测起始时的场初始相位成为限制测量灵敏度的关键因素。如何处理这一未知相位曾在国际上引发热烈讨论。问题的微妙之处在于：信号的幅度与相位均为未知量，且初始相位耦合到振幅中；传统信号处理中通常需先观测到非零信号，才能同时估计这两个参数。本研究在构造似然函数时，综合考虑了信号的幅度、频率与相位三个参数，并对未知相位在0到2π范围内进行统计边缘化处理。相比于此前存在争议的“相位平均”方法，这种统计边缘化处理在数学上更加严格和精确，为极弱信号的可靠约束提供了坚实的方法论基础，也是目前看来针对该问题最为合理且有效的处理方法。

图：本研究结果（红线）在低于10^-22电子伏特的极轻轴子质量区间内，首次建立了轴子–核子耦合的实验室约束，全面超越了天文学观测所得的限制（蓝线）；在高于10^-22电子伏特的区间内，实验灵敏度相较以往实验室结果（紫线与棕线）提高了三个数量级以上，并在图示范围内接近或超越了欧洲散裂中子源拟开展实验的预期精度（绿线）。

自精准测量，至精深洞见——这是跨越四川绵阳与浙江宁波、连接两个实验室的极化³He精密测量团队始终秉持的信念。在他们眼中，实验现场与数据就如同“犯罪现场”，每一个微小信号、每一次噪声波动，都是隐藏真相的蛛丝马迹。研究者在其中抽丝剥茧，只为揭示唯一的物理真理。正如通过精细地观察一滴水，便能推知尼亚加拉瀑布的存在；在看似微不足道的测量数据中，常常孕育着对宇宙本源的宏大洞见。真相只有一个，而真相离实验现场最近，伟大的物理规律往往潜藏在那些精密测量所捕捉到的最细微变化之中。

该论文第一作者为中物院二所-中子科学与技术全国重点实验室张开元副研究员，通讯作者为宁波大学基础物理与量子科技研究院闫海洋教授。合作作者包括中国工程物理研究院二所与复旦大学联合培养的博士研究生吴良勇。本研究工作得到了国家自然科学基金NSAF基金重点项目、国家自然科学基金青年项目、中子科学与技术全国重点实验室重点项目以及四川省自然科学基金青年项目的支持。（来源：科学网）

相关论文信息：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/l8kd-yhlg