北京大学物理学院舒菁课题组利用地球磁场搜寻微荷超轻暗物质取得重要进展

暗物质是当今物理学最大的未解之谜之一，其本质和性质仍隐藏在宇宙的深处。传统探测手段多依赖于地下实验、空间望远镜或粒子对撞机，而近日一项创新研究提出：地球本身及其周围的磁场，可成为一个天然的“暗物质探测器”。

北京大学博雅特聘教授舒菁联合南京师范大学武雷教授、紫金山天文台袁强研究员、烟台大学祝斌教授等合作团队，开创性地提出利用地球磁场作为探测媒介，对一类称为“微荷暗物质”的超轻暗物质开展高灵敏度搜寻，并基于全球地磁监测数据给出了显著优于现有结果的严格限制。相关成果以“Search for Ultralight Millicharged Dark Matter with Geomagnetic Signals”为题发表于Physical Review Letters，并入选Featured in Physics，受到美国物理学会官网专题报道。

图1 利用地球磁场探测微荷暗物质的原理图

在研究中，作者提出：地球表面与电离层之间形成一个天然的电磁谐振腔。当超轻的微荷暗物质穿过地球磁场时，会与光子场耦合，产生一个振荡的“等效电流”，进而激发一个可在地表探测的交变磁场信号，如图1所示。该信号具有独特的1/m_ϕ²质量依赖关系，因此在极轻质量区间（低于10⁻¹⁴eV）灵敏度显著提升。

图2 根据SuperMAG与SNIPE Hunt的数据得到的微荷暗物质的灵敏度限制图

研究团队利用SuperMAG全球地磁台网数十年积累的数据，以及SNIPE Hunt合作组在美国多地部署的高精度磁力计测量结果，对微荷暗物质进行了系统分析。结果显示，该方法对暗物质电荷的限制比以往通过恒星冷却观测得到的限制强了13至18个数量级，在极轻质量区间实现了前所未有的探测灵敏度，如图2所示。

该方法不仅为超轻暗物质的探测开辟了一条全新途径，也展示了 “地球作为实验室” 在基础物理研究中的巨大潜力。未来，随着更高灵敏度的磁力计和更密集的全球地磁监测网络的部署，人类有望在更宽的质量范围内搜寻暗物质，甚至直接发现其存在的信号。

本论文第一作者为南京师范大学的Ariel Arza和龚远林，舒菁、武雷、袁强、祝斌为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、中国科学院基础研究领域青年团队的支持。