文章导读
中国科大团队将暗物质探测灵敏度提升10000倍——当地球穿越宇宙中的“暗物质墙”时，合肥与杭州的量子传感器网络首次捕获到微秒级信号的分钟级“回声”。这项《自然》最新研究突破了天体物理观测极限：通过320公里城际量子传感网络，结合核自旋量子放大技术，误报率骤降千倍，在轴子质量关键区间实现实验室探测对天文观测的40倍超越。未发现信号的结果反而锁定了迄今最严苛的暗物质参数边界，为搜寻轴子星、引力波关联现象开辟新路径。量子网络化探测架构正开启人类触摸宇宙“隐形骨架”的新纪元。
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中国科学技术大学自旋磁共振实验室彭新华教授、江敏教授及其合作者，系统发展了核自旋量子精密测量技术并实现原理性突破，构建了基于核自旋的城际量子传感网络，在实验上突破了对拓扑缺陷轴子暗物质约束的天体物理观测极限。相关研究成果以“Constraints on axion dark matter by distributed intercity quantum sensors”为题于1月28日在线发表在《自然》杂志上。
“宇宙由何组成？”是Science列出的125个科学问题之一。当前研究表明，在宇宙的物质构成中，普通可见物质仅占约4.9%，而暗物质则占据约26.8%的比例。然而，暗物质的微观本质仍然是现代物理学的一大谜团。轴子是当前理论动机最强的暗物质候选粒子之一，其构成的场在宇宙早期相变中可能产生拓扑缺陷（topological defect）——这是一种类似宇宙弦或畴壁的、具有稳定结构的宏观“褶皱”。当这种结构穿越地球时，会与地面上部署探测器中的原子核自旋发生相互作用产生旋转信号。然而，由于信号极其微弱且持续时间短，这对探测技术提出了极高要求。
研究团队创新性地发展了核自旋量子精密测量技术，原理性突破了惰性气体原子（129Xe）核自旋对瞬时信号的响应探测难题，将微秒级别的暗物质拓扑缺陷结构信号“存储”到接近分钟级别的核自旋相干态中，同时结合自主提出的核自旋量子放大技术，将微弱信号放大了至少100倍，自旋旋转探测灵敏度达到约1微弧度，相比之前实验室探测技术，其灵敏度提高约4个量级。
图A：宇宙构成成分图；
图B：基于城际量子传感网络的暗物质搜寻。拓扑缺陷轴子暗物质在宇宙中会形成能量高度集中的致密结构，犹如一堵“暗物质墙”。当地球在银河系中以约10-3光速运动并穿越这类结构时，部署的城际量子传感器网络便能对其进行探测。
为进一步提升探测灵敏度、抑制局部噪声并排除单站式探测盲区，团队建成了基于核自旋的城际量子传感网络。该网络由分布于合肥-杭州的五台自主研发的核自旋量子传感器组成，利用卫星同步实现跨度为320公里的分布式量子传感，构成了一个超灵敏的暗物质信号鉴别系统。长基线使得真实暗物质事件在不同节点间会产生可分辨的信号延迟与相位差，结合多节点数据的三维拟合，能有效抑制局部干扰，成功将误报率降低约三个数量级。相较于国际上已有的基于碱金属传感器的GNOME探测计划，该新型核自旋探测网络的能量分辨率提升了约4个量级，为拓扑缺陷暗物质提供了更强大的探测工具。
通过连续2个月的观测与量子传感网络数据关联分析，研究团队未发现统计显著的拓扑缺陷穿越事件。基于此“无信号”结果，团队在轴子质量10 peV至0.2 μeV的宽广范围内，给出了迄今最严格的轴子-中子耦合实验室限制。尤其在84 peV附近，耦合尺度上限达4.1×1010GeV，比超新星SN1987A的天体物理限制高出40倍，在该质量区间实现了实验室探测对天文观测的超越，为探索天文观测以外的物理参数空间提供了手段。
此项研究不仅为拓扑缺陷暗物质探测提供全新途径，其发展的网络化探测架构与信号处理方法，也为搜寻轴子星、轴子弦等更多超越标准模型的瞬态新现象开辟了新方向。此类传感器网络可与引力波天文台等设施协同，构成多信使观测网络，捕捉双黑洞并合等极端天体事件可能释放的轴子辐射，开启探索暗物质与宇宙极端事件关联的新窗口。团队计划通过全球组网、空间部署【Natl. Sci. Rev. 12, nwaf389 (2025)】及发展新一代的惰性气体核自旋量子传感技术，将探测灵敏度再提升10⁴倍，迈向更深远的物理前沿。
审稿人对此项工作给予了高度评价：“这项工作为探索粒子物理和天体物理领域的热点课题提供了一个及时而强大的工具，将在相关领域激发新的研究浪潮。”
本研究是该研究团队在量子精密测量与暗物质探测的交叉科学前沿取得的最新突破。团队长期系统开展了基于原子核自旋体系探索超越标准模型的新物理研究，先后提出和实现了多种原创性方法，如发展了核自旋放大与法诺共振噪声抑制等量子精密测量等方法【Nat. Phys. 20, 1966 (2024), Nat. Phys. 17, 1402 (2021), PNAS 121, e2315696121 (2024), PNAS 122, e2419683122 (2025)】，并将其应用于超轻暗物质【PRL 129, 051801 (2022), PRL 133, 133202 (2024), PRL 134, 223201 (2025), Nat. Commun. 15, 3331 (2024)】与新奇相互作用的搜索【Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021), Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)】。本项研究在此基础上，实现了从单站式测量到多站点协同探测的跨越，通过构建分布式传感器网络，系统性地开展了对瞬态暗物质的实验搜寻。
中国科学技术大学自旋磁共振实验室博士后王元泓为论文第一作者，江敏和彭新华为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、科技部、中国科学院、深空探测实验室等多个项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10034-w
（物理学院、科研部）
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这个暗物质探测网络有点科幻片的感觉