近日，物理与光电工程学院物理学系杨峤立研究员与中国科学院近代物理研究所、东江实验室、英国利物浦大学、上海交通大学等组成的研究团队提出了利用强流缪子束寻找暗物质的实验新方案，该方法有望在18至130微电子伏特的质量区间达到对类轴子暗物质的世界最好限制。这是目前国际上首个直接测量类轴子和缪子共振相互作用的实验方案，为寻找暗物质拓展了新思路。相关成果于9月10日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

图1.文章发表页面截图

目前研究表明，宇宙约四分之一的成分是暗物质，但暗物质的粒子本质依旧是未解之谜。类轴子是当前备受关注的暗物质候选粒子之一，然而，这类粒子与标准模型粒子的相互作用极其微弱，直接探测难度极大。类轴子与核子、电子和光子的相互作用已经得到广泛研究，但迄今尚未发现类轴子存在的迹象。相比之下，借助缪子寻找类轴子的研究极少，目前主要是通过缪子反常磁矩实验（Muon g-2）间接寻找类轴子。

为了开展对类轴子的直接探测，研究团队提出利用缪子偶素与类轴子的共振相互作用，进一步探索类轴子的性质。该实验方案利用磁场调节缪子偶素的超精细能级之间的能级差，当与空间中存在的质量与能级差相同的类轴子共振时，缪子偶素就能发生超精细能级跃迁，实现对类轴子的直接探测。

研究团队对实验方案进行了数值模拟，结果表明：利用强流缪子束，该方案积累一个月的数据形成的对类轴子的限制结果，可与基于Muon g-2实验的结果相当；随着进一步数据积累，该方案的结果有望达到对类轴子暗物质的世界最强限制。

该实验方案的实现依赖于高流强缪子束线设施。目前，我国多个新一代大科学装置都在推进缪子线站建设或规划布局。该实验方案为我国在缪子物理领域取得突破提供了新的思路，有望提升我国在相关领域的国际竞争力。

图2. (a)实验装置示意图。(b)实验流程示意图。

本工作由中国科学院近代物理研究所重离子科学与技术全国重点实验室和东江实验室联合暨南大学、英国利物浦大学、上海交通大学等团队共同完成。东江实验室方锋助理研究员为论文第一作者，英国利物浦大学张策博士、暨南大学杨峤立研究员、近代物理研究所陈良文研究员、孙志宇研究员为通讯作者。

该工作得到了国家自然科学基金、重离子科学与技术全国重点实验室自主立项、广东省基础与应用基础研究基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/483j-ct1h

图文：杨峤立