清華新聞網(wǎng)5月25日電 暗物質(zhì)是一種在天文觀(guān)測(cè)中被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，它具有萬(wàn)有引力作用但不發(fā)光，約占據(jù)了宇宙總能量的27%。對(duì)暗物質(zhì)的粒子物理性質(zhì)的研究是當(dāng)前粒子物理和宇宙學(xué)最重要的研究課題之一。超輕暗光子暗物質(zhì)作為暗物質(zhì)的候選者越來(lái)越被物理學(xué)家所重視。
在20世紀(jì)60年代初，彭茲亞斯和威爾遜在進(jìn)行射電天文學(xué)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意外的低水平背景噪音。后來(lái)，這個(gè)噪音被證實(shí)是宇宙微波輻射背景，是灼熱早期宇宙膨脹的重要證據(jù)之一。超輕暗光子通過(guò)與光子的動(dòng)力學(xué)混合可以呈現(xiàn)出類(lèi)似光子的電磁相互作用。因此，作為彌散在宇宙中的暗物質(zhì)的候選者，超輕暗光子暗物質(zhì)可以表現(xiàn)出類(lèi)似于宇宙微波背景輻射的行為。如果現(xiàn)代射電望遠(yuǎn)鏡仔細(xì)聆聽(tīng)，可能會(huì)聽(tīng)到來(lái)自黑暗世界的微妙聲音。
清華大學(xué)物理系、清華大學(xué)高能物理中心的安海鵬副教授和合作者提出利用射電望遠(yuǎn)鏡直接尋找暗光子暗物質(zhì)的新方法。暗光子暗物質(zhì)可以在地面上的射電望遠(yuǎn)鏡的反射板或偶極天線(xiàn)上引起電子振蕩，從而在望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)器上產(chǎn)生單頻的射電信號(hào)。其頻率與暗光子質(zhì)量相同。安海鵬副教授和合作者利用我國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（中國(guó)天眼，F(xiàn)AST）的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)在1-1.5GHz尋找暗光子暗物質(zhì)產(chǎn)生的信號(hào)，給出了在這個(gè)區(qū)域上對(duì)暗光子暗物質(zhì)最強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)限制。研究表明，已有的低頻陣列射電望遠(yuǎn)鏡（LOFAR）和在建的平方千米陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA），以及未來(lái)FAST望遠(yuǎn)鏡將能夠達(dá)到更高的靈敏度，有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的潛力。
（左）暗光子暗物質(zhì)在FAST鏡面上轉(zhuǎn)化成普通光子的示意圖；(右) 本文結(jié)果被暗光子綜述網(wǎng)站收錄（見(jiàn)其中FAST）；另外，LOFAR（Sun）是根據(jù)安海鵬副教授和合作者之前發(fā)表的理論文章（Phys.Rev.Lett. 126 (2021) , 181102）結(jié)合LOFAR太陽(yáng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的新結(jié)果。
5月2日，相關(guān)研究成果以“利用射電望遠(yuǎn)鏡直接探測(cè)暗光子暗物質(zhì)”（Direct detection of dark photon dark matter using radio telescopes）為題，發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。文章被列為物理學(xué)特別推薦(Featured in Physics)，并受到美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）的推薦報(bào)道。
按照高能物理學(xué)界的慣例，清華大學(xué)安海鵬副教授、北京大學(xué)葛帥良博士、紫金山天文臺(tái)博士生國(guó)文清和黃曉淵研究員、北京大學(xué)物理學(xué)院劉佳研究員和北京大學(xué)本科生盧志垚作為論文作者，依姓氏英文字母順序共同署名。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、中國(guó)科學(xué)院、江蘇省雙創(chuàng)人才、清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)、北京大學(xué)高能物理研究中心、北京大學(xué)博雅博士后、博士后國(guó)際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目、北京大學(xué)建設(shè)世界一流大學(xué)（學(xué)科）和特色發(fā)展引導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.181001
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
