固体核磁共振结合宽带SQUID磁强计搜寻轴子类暗物质

《Universe》：Solid-State Nuclear Magnetic Resonance Search for Axion-like Dark Matter with Broadband SQUID Magnetometry

　　

本文报道了一项实验搜寻超轻类轴子暗物质的结果，质量范围为18.9–20.6 neV和21.6–21.9 neV。宇宙轴子自旋进动实验-电耦合（CASPEr-electric）探测了轴子-核电偶极矩耦合。研究人员对位于极化铁电晶体中的207Pb自旋系综进行了固态核磁共振（solid-state NMR）测量。背景类轴子暗物质场通过电偶极矩耦合gd在207Pb自旋上感应出一个振荡扭矩。实验利用脉冲磁共振测量进行校准，覆盖两个频段（4.57–4.97 MHz和5.23–5.29 MHz），这些频段对应于所识别轴子质量范围的轴子康普顿频率。通过扫描施加于样品的引导磁场，研究人员能够利用超导量子干涉仪（SQUID）在这些频率范围内检测207Pb核磁共振信号，该SQUID通过宽带电路与样品电感耦合。研究人员建立了上限|gd| ≤ 1.6 × 10-6 GeV-2（95%置信水平）。研究结果展示了低场207Pb核磁共振的检测和小倾角校准，从而实现了对纳电子伏特轴子质量范围内的类轴子暗物质的灵敏度。

研究背景、存在问题与研究意义

暗物质是当代物理学面临的最大谜团之一。尽管存在大量间接观测证据，但目前尚无确凿的直接实验证据证明其存在。轴子和类轴子粒子（ALPs）是重要的暗物质候选者。轴子最初是为解决量子色动力学（QCD）的强CP问题而提出的理论粒子。轴子类暗物质表现为一种振荡场，其相干时间远长于振荡周期。许多实验集中于轴子与光子的相互作用，以及原子核自旋与轴子场梯度的相互作用。然而，QCD轴子的定义性特征是其与胶子的反常耦合，这一耦合会导致核子电偶极矩（EDM）和P,T破缺的核矩。宇宙轴子自旋进动实验-电耦合（CASPEr-electric）正是通过探测这种EDM耦合来搜寻轴子类暗物质。此前，已有实验平台利用中子、氘核、分子离子和稀土离子等对由轴子-胶子耦合感应的振荡EDM进行了搜寻。上一代CASPEr-electric实验探测了162–166 neV的质量范围。据研究人员所知，在此次工作研究的19–22 neV范围内，此前没有任何实验室实验对线性EDM耦合进行过探测。在该质量范围内，对g_d最严格的现有约束来自超新星SN1987A冷却的分析，这依赖于对超新星内核的建模；而像本实验这样的实验室搜索提供了一种直接且模型无关的检验，仅假设类轴子场构成局部暗物质。开展此项研究的意义在于，首次在19–22 neV质量范围内对轴子EDM耦合设定了实验室约束，填补了这一空白。

主要关键技术方法

研究人员使用了铅镁铌酸盐-铅钛酸盐（PMN-PT，x≈0.3）铁电晶体中的²⁰⁷Pb核自旋系综作为探测介质。实验装置的核心包括一个二阶梯度计形式的拾取线圈，该线圈与单级超导量子干涉仪（SQUID；Magnicon GmbH型号C6XXL）耦合，用于检测核磁共振信号。一个独立的铌钛亥姆霍兹激发线圈被用于施加射频脉冲。整个探头安装在一个超导螺线管磁体（Cryomagnetics Inc.型号90-300-010）的孔径内，使样品的铁电极化轴垂直于引导磁场B₀。实验中采用了非谐振的宽带激发和检测方案，探测频率仅由引导磁场设定。研究人员在每个磁场点使用小倾角脉冲核磁共振（NMR）技术原位校准检测链路。数据采集使用了Spectrum Instrumentation公司的模数转换器（ADC；型号m4i.4421-x8）。

研究结果

3.1 轴子搜寻步骤

研究人员在2022年5月12日至13日于波士顿大学收集了轴子暗物质数据。他们在0.5–0.6 T范围内扫描磁场，在22个不同的磁场点采集背景噪声数据，步长约为20 kHz（两倍于之前测量的线宽）。在每个磁场点，先进行校准测量，随后进行5分钟的扫描和5分钟的重扫描数据采集。数据分析包括数据平均、滤波和校正等多个步骤。数据块被傅里叶变换到频域，获得功率谱密度（PSD），并进行平均。研究人员应用数字Savitzky-Golay（SG）滤波器去除窄带和宽带噪声特征。随后，他们执行匹配滤波，将PSD与轴子晕线形进行卷积。候选检测阈值设为5σ，对应95%置信限度的5σ检测。初始搜索在4.57–4.97 MHz和5.23–5.29 MHz范围内识别出8484个候选频率。为了确认候选特征源于样品磁化而非电磁干扰，研究人员利用了轴子诱导横向磁化的共振特性，比较了不同引导磁场下数据集中的候选频率。通过此检查，拒绝了8226个初始候选者。另一项检查确保候选者在扫描和重扫描数据集中均持续存在，排除了258个剩余候选者。为确保轴子信号不被错误剔除，研究人员在软件中生成了合成轴子信号并以随机频率和耦合强度注入数据。结果表明，SG滤波对注入轴子信号的衰减约为9%，因此在计算排除值时对此进行了修正。

3.2 轴子搜索结果

为了确定实验灵敏度，研究人员将最优滤波后的功率谱密度值转换为耦合强度。在考虑了衰减因子并合并所有数据集后，得出了约束条件。搜索未发现轴子类暗物质的证据。

讨论与结论

此次搜索在18.9–20.6 neV和21.6–21.9 neV质量范围内未发现轴子类暗物质的证据，并将约束设定在|g_d| ≤ 1.6 × 10^-6 GeV^-2（95%置信水平）的水平，对应于|g_ag| ≤ 1.3 × 10^-7 GeV^-1。据研究人员所知，这是在这些质量点上对EDM耦合的首个实验室约束。该约束比上一代实验更为严格，尽管引导磁场（进而平衡核磁化强度）小了约一个数量级。其主要不确定性来源于E_eff约50%的理论不确定性。宽带读出方式（探测频率仅由引导磁场设定）和每个磁场点的原位小倾角校准使得只需扫描磁场即可将搜索扩展到其他质量范围。研究人员指出，此类实验的探测不仅能揭示轴子质量，还能推断轴子衰变常数f_a，区分标准QCD轴子与ALP或质量被压低的QCD轴子。此外，通过测量EDM耦合g_d和梯度耦合g_aNN可以约束它们的比值，该比值取决于模型的紫外完备化。信号的频谱线形及其周年和日调制则编码了暗物质的速度分布，可证实信号的银河系起源并探测局部晕结构。提高灵敏度的途径主要在于提高核自旋极化率（例如使用稀释制冷机冷却样品、在高场下预极化或通过动态核极化）、降低读出噪声（如使用两级SQUID）。一项分析表明，优化的实验可以达到接近大统一能标的QCD轴子灵敏度，适用于低于约10^-6 eV的轴子质量范围。