【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學自旋磁共振實驗室榮星教授與浙江大學焦曼研究員合作，在超輕暗物質搜尋上取得重要進展。研究團隊實現了首個工作在毫米波頻段的電介質堆棧探測器，并開展了對暗光子暗物質的寬帶實驗搜尋，對暗光子動力學混合系數給出了新的約束。該研究成果以“New Constraints on Dark Photon Dark Matter with a Millimeter-Wave Dielectric Haloscope”為題，近日發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
暗物質是現代物理學最大的謎團之一。近年來，新的超輕玻色子，如暗光子和軸子，成為備受關注的暗物質候選者。這類超輕暗物質理論預言的質量范圍大都在μeV—meV量級，且毫米波頻段的暗光子或軸子具有很強的理論動機。目前，國際上已有一系列實驗搜尋這些超輕暗物質，但大多局限在30GHz以下。原因在于傳統諧振腔實驗中，腔的等效模體積(V∝f-3)會隨著頻率升高而迅速減小，導致暗物質在腔內激發產生的信號功率迅速衰減，因此在毫米波頻段的暗物質搜尋實驗面臨巨大挑戰。
針對這一難題，研究團隊設計并搭建了國際上首個工作在毫米波頻段的電介質堆棧探測器。該探測器由四層鋁酸鑭電介質片和一面鏡子組成，由于是開放腔設計，其等效模體積比普通諧振腔大約兩個量級，且在未來可以通過增加電介質板數目進一步提升。電介質片的厚度與間距經過精心設計，使得探測器能夠利用干涉顯著放大暗物質激發產生的微波信號，并在W波段實現寬帶搜尋。
基于這一探測器，團隊在387.72—391.03μeV區間開展了為期8天的暗光子實驗搜尋。數據分析結果未發現暗光子存在的證據，在相應區間對暗光子動力學混合系數給出了迄今最嚴格的約束，相較此前結果提升了約兩個數量級。這項工作解決了高頻電介質堆棧探測器標定的技術難題，打開了其在毫米波頻段的應用窗口，為將來更高頻的超輕暗物質搜尋奠定了基礎。
中國科學技術大學自旋磁共振實驗室博士生魏國慶為該論文第一作者，榮星教授和焦曼研究員為該論文共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金、科技部等項目的支持。
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