中国科大实现首个基于电介质堆栈探测器的毫米波频段暗光子搜寻
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中国科学技术大学自旋磁共振实验室荣星教授与浙江大学焦曼研究员合作，在超轻暗物质搜寻上取得重要进展。研究团队实现了首个工作在毫米波频段的电介质堆栈探测器，并开展了对暗光子暗物质的宽带实验搜寻，对暗光子动力学混合系数给出了新的约束。该研究成果以“New Constraints on Dark Photon Dark Matter with a Millimeter-Wave Dielectric Haloscope”为题，近日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
暗物质是现代物理学最大的谜团之一。近年来，新的超轻玻色子，如暗光子和轴子，成为备受关注的暗物质候选者。这类超轻暗物质理论预言的质量范围大都在μeV—meV量级，且毫米波频段的暗光子或轴子具有很强的理论动机。目前，国际上已有一系列实验搜寻这些超轻暗物质，但大多局限在30GHz以下。原因在于传统谐振腔实验中，腔的等效模体积（V∝f-3）会随着频率升高而迅速减小，导致暗物质在腔内激发产生的信号功率迅速衰减，因此在毫米波频段的暗物质搜寻实验面临巨大挑战。
a，实验装置线路图；b，电介质堆栈。
针对这一难题，研究团队设计并搭建了国际上首个工作在毫米波频段的电介质堆栈探测器。该探测器由四层铝酸镧电介质片和一面镜子组成（如上图所示），由于是开放腔设计，其等效模体积比普通谐振腔大约两个量级，且在未来可以通过增加电介质板数目进一步提升。电介质片的厚度与间距经过精心设计，使得探测器能够利用干涉显著放大暗物质激发产生的微波信号，并在W波段实现宽带搜寻。
基于这一探测器，团队在387.72—391.03μeV区间开展了为期8天的暗光子实验搜寻。数据分析结果未发现暗光子存在的证据，在相应区间对暗光子动力学混合系数给出了迄今最严格的约束，相较此前结果提升了约两个数量级。这项工作解决了高频电介质堆栈探测器标定的技术难题，打开了其在毫米波频段的应用窗口，为将来更高频的超轻暗物质搜寻奠定了基础。
中国科学技术大学自旋磁共振实验室博士生魏国庆为该论文第一作者，荣星教授和焦曼研究员为该论文共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、科技部等项目的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/yk7n-lrpj
（物理学院，科研部）
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