近期，北京大學(xué)季偉助理教授與北京航空航天大學(xué)魏凱教授團(tuán)隊(duì)合作，借助超靈敏的 K-Rb-21Ne 共磁力儀對(duì)由軸子（axion）傳遞的自旋相關(guān)相互作用進(jìn)行了測(cè)量。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的磁力儀使用獨(dú)特的“軟磁環(huán)繞硬磁”結(jié)構(gòu)以及定制設(shè)計(jì)的磁屏蔽結(jié)構(gòu)，獲得了國(guó)際領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)靈敏度。相關(guān)論文以《軸子傳遞的偶極偶極相互作用的極限》（Constraints on Axion Mediated Dipole-Dipole Interactions）為題發(fā)表在 Physical Review Letters。北京航空航天大學(xué)博士畢業(yè)生徐子童是第一作者，季偉和魏凱擔(dān)任共同通訊作者。

圖｜相關(guān)論文（來(lái)源：Physical Review Letters）

軸子是一種非常重要的假想粒子，最初為了解決強(qiáng)相互作用中的 CP 破缺問(wèn)題而提出。后來(lái)，物理學(xué)家 J·E·穆迪（J. E. Moody）和弗朗克·維爾切克（Frank Wilczek）在 1984 年進(jìn)一步提出：如果軸子存在，它可以在費(fèi)米子之間傳遞一種全新的自旋相關(guān)相互作用。

這種相互作用不屬于標(biāo)準(zhǔn)模型描述的四種基本相互作用力——引力、電磁、強(qiáng)相互作用或弱相互作用，所以又被稱為“第五種力”。因而軸子有可能揭示標(biāo)準(zhǔn)模型外的新物理。同時(shí)，軸子也被認(rèn)為是輕質(zhì)量暗物質(zhì)最熱門的候選粒子，為宇宙中看不見的質(zhì)量提供解釋。

自軸子被提出后，世界范圍內(nèi)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室圍繞軸子進(jìn)行精確搜索：包括有天文觀測(cè)手段像暗物質(zhì)觀測(cè)衛(wèi)星，地下實(shí)驗(yàn)室中的高靈敏探測(cè)器，以及粒子對(duì)撞機(jī)等。然而長(zhǎng)期以來(lái)，這些研究被限制在“軸子窗”之外的探測(cè)區(qū)域。軸子窗范圍大致在 1ueV 到 1meV 之間，對(duì)應(yīng)的力程大約在 0.2 毫米到 20 厘米之間。

圖丨季偉（來(lái)源：季偉）

圖丨季偉（來(lái)源：季偉）

其原因在于實(shí)驗(yàn)存在顯著的權(quán)衡：既要有效抑制來(lái)自自旋源的磁場(chǎng)泄漏，又要在亞分米尺度的距離上探測(cè)亞飛特斯拉量級(jí)的奇異物理信號(hào)。而在本研究中，研究工作者利用鐵屏蔽的 SmCo? 自旋源，并結(jié)合特制的自補(bǔ)償共磁力儀，開展了關(guān)于軸子介導(dǎo)的自旋相互作用的新實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，研究員將SmCo? 永磁體結(jié)合軟磁外殼加工成微型自旋源，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生類似經(jīng)典電磁場(chǎng)的信號(hào)。如果軸子介導(dǎo)的“第五力”存在，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的自旋源同時(shí)會(huì)像天線一樣發(fā)射出由第五力產(chǎn)生的奇異電磁場(chǎng)信號(hào)。而在另一端，一只精密的原子傳感器“耳朵”被豎起檢測(cè)電磁場(chǎng)信號(hào)。研究團(tuán)隊(duì)使用的是 K-Rb-21Ne 共磁力儀，其可以感受到奇異電磁場(chǎng)效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生可被觀測(cè)到的自旋方向改變。

圖｜實(shí)驗(yàn)探測(cè)原理（來(lái)源：Physical Review Letters）

該實(shí)驗(yàn)的主要挑戰(zhàn)是常規(guī)磁場(chǎng)的泄漏強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于這種奇異信號(hào)。為此，研究人員設(shè)計(jì)了復(fù)雜的屏蔽方案：利用由三種結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合磁屏蔽削減常規(guī)磁場(chǎng)，同時(shí)引入自補(bǔ)償模式，抵消共磁力儀對(duì)常規(guī)磁場(chǎng)的響應(yīng)，但對(duì)異常信號(hào)仍保持極高靈敏度。季偉對(duì) DeepTech 表示：“這些設(shè)計(jì)導(dǎo)致普通磁場(chǎng)被壓制了 11 個(gè)量級(jí)，而軸子‘第五力’信號(hào)卻不會(huì)被屏蔽?！?/strong>

（來(lái)源：Physical Review Letters）

最終實(shí)驗(yàn)沒(méi)有觀測(cè)到預(yù)期的第五力信號(hào)，但在 0.01meV–0.1meV 的軸子質(zhì)量區(qū)間內(nèi)，對(duì)電子自旋-中子自旋及電子自旋-質(zhì)子自旋耦合常數(shù)給出了迄今最嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)限制。在軸子質(zhì)量約 0.02meV 處，較此前結(jié)果提升了超過(guò) 1 萬(wàn)倍。

事實(shí)上，這并非團(tuán)隊(duì)第一次在軸子物理領(lǐng)域取得突破。此前，季偉還與北京大學(xué)劉佳助理教授及北京航空航天大學(xué)魏凱教授合作團(tuán)隊(duì)合作，在超輕暗物質(zhì)的直接探測(cè)方面取得了重要突破。他們提出并實(shí)現(xiàn)了“混合自旋共振”（HSR，Hybrid Spin Resonance）新模式，相關(guān)論文以《利用共振耦合混合自旋系統(tǒng)尋找暗物質(zhì)》（Dark matter search with a resonantly-coupleed hybrid spin system）為題發(fā)表在 Reports on Progress in Physics 上。北京航空航天大學(xué)魏凱教授和博士畢業(yè)生徐子童是共同第一作者。

圖｜相關(guān)論文（來(lái)源：Reports on Progress in Physics）

傳統(tǒng)的核磁共振方法在暗物質(zhì)搜索中面臨掃描效率低、頻率覆蓋窄的瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)同樣巧妙利用 K-Rb-21Ne 共磁儀，調(diào)節(jié)堿金屬與惰性氣體的耦合，實(shí)現(xiàn)了兩種原子自旋的共振狀態(tài)，從而把探測(cè)帶寬從 0.01Hz 擴(kuò)展到 35Hz，大幅提升了覆蓋范圍和靈敏度。最終，他們?cè)?0.01Hz 至 1kHz 內(nèi)多個(gè)頻段給出了世界領(lǐng)先的限制，在部分區(qū)域甚至首次超越了天文學(xué)超新星爆發(fā)和中子星冷卻的觀測(cè)限制。

與最新的“第五力”研究相比，該研究關(guān)注的是軸子作為暗物質(zhì)候選者被直接探測(cè)。而“第五力”研究則將軸子視為假想粒子，探索其作為新相互作用的傳遞者可能留下的痕跡。但最終的目的都是為了探索標(biāo)準(zhǔn)物理模型之外的新物理。

而這類實(shí)驗(yàn)也在不斷推動(dòng)技術(shù)的極限。論文中指出，這次開發(fā)的復(fù)合磁屏蔽和自補(bǔ)償共磁力儀，不僅適用于新物理的探索，還可能轉(zhuǎn)化到生物和化學(xué)研究中。例如零磁場(chǎng)核磁共振，就需要在強(qiáng)磁場(chǎng)與極低磁場(chǎng)間切換，而團(tuán)隊(duì)的屏蔽設(shè)計(jì)能大幅縮短切換時(shí)間，減少信號(hào)衰減。季偉指出，該裝置的原理也可被應(yīng)用于極弱磁測(cè)量例如腦磁、心磁，目前已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)開始研究這方面的產(chǎn)品。此外，該裝置也可被放置于空間站上進(jìn)行基礎(chǔ)物理方面的研究。

值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)不僅在軸子介導(dǎo)的新型相互作用研究中取得重要進(jìn)展，還在自旋為 1 的暗光子介導(dǎo)相互作用方面取得了新的突破，相關(guān)論文即將發(fā)表于 PNAS[3]。

參考資料：

1.Xu., Z. et al. Constraints on Axion Mediated Dipole-Dipole Interactions. Phys. Rev. Lett. 134, 181801, 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.181801

2.Kai Weiet al. Dark matter search with a resonantly-coupleed hybrid spin system.Rep. Prog. Phys. 88 057801,2025. https://doi.org/10.1088/1361-6633/adca52

3.https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2512538122