黑暗 SRF 实验通过使用两个 SRF 腔体作为实验的关键部件，展示了前所未有的灵敏度。资料来源：费米实验室，Reidar Hahn

在美国能源部费米国家加速器实验室从事黑暗 SRF 实验的科学家们在用于搜索理论上被称为暗光子的粒子的实验装置中展示了前所未有的灵敏度。

研究人员将普通的无质量光子困在名为超导射频腔的装置中，以寻找这些光子向其假设的暗部门对应物的转变。这项实验为暗物质光子在特定质量范围内的存在提供了世界上最好的约束条件，实验结果最近发表在《物理评论快报》上。

"费米实验室超导量子材料与系统中心的研究员、本研究的共同作者罗尼-哈尼克（Roni Harnik）说："暗光子是一种类似于我们熟悉和喜爱的光子的复制品，但有一些变化。

让我们能够看到我们世界中普通物质的光，是由被称为光子的粒子构成的。但普通物质只占所有物质的一小部分。我们的宇宙中充满了一种叫做暗物质的未知物质，它占所有物质的 85%。描述已知粒子和力的标准模型并不完整。

在理论家的最简单版本中，一种未被发现的暗物质粒子可以解释宇宙中的所有暗物质。但许多科学家怀疑，宇宙中的暗部门有许多不同的粒子和力；其中一些可能与普通物质粒子和力有着隐秘的相互作用。

就像电子有在某些方面不同的副本，包括μ介子和tau，暗光子也会与普通光子不同，并具有质量。从理论上讲，一旦产生，光子和暗光子可以按照暗光子特性设定的特定速率相互转化。

左图：暗SRF 实验的实验装置，由两个 1.3 GHz 的空腔组成。右图：暗SRF电子系统草图。来源：《物理评论快报》（2023 年）。DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.261801

SRF 腔的创新应用
为了寻找暗光子，研究人员进行了一种名为 "光照穿墙实验 "的实验。这种方法使用两个空心金属腔来探测普通光子向暗物质光子的转化。科学家将普通光子储存在一个空腔中，而另一个空腔则是空的。然后，他们在空腔中寻找光子的出现。

费米实验室SQMS中心的研究人员拥有多年研究SRF空腔的专业知识，SRF空腔主要用于粒子加速器。现在，SQMS 中心的研究人员已经将 SRF 腔用于其他用途，例如量子计算和暗物质搜索，因为它们能够高效地存储和利用电磁能。

"SQMS中心量子技术推进负责人亚历山大-罗曼年科（Alexander Romanenko）说："我们正在寻找超导射频空腔的其他应用，我了解到了这些实验，他们使用两个并排的铜空腔来测试光线是否能穿透墙壁。"我立刻意识到，与以前实验中使用的空腔相比，我们可以利用 SRF 空腔展示更高的灵敏度。

该实验首次展示了使用SRF空腔进行光照穿墙实验。

罗曼年科及其合作者使用的SRF空腔是中空的铌块。当冷却到超低温时，这些空腔可以很好地存储光子或电磁能量包。在 "暗SRF "实验中，科学家们将SRF空腔在液氦浴中冷却到2 K左右，接近绝对零度。

在这个温度下，电磁能毫不费力地流过铌，这使得这些空腔能够有效地存储光子。

"研究报告的合著者、明尼苏达大学 SQMS 中心物理与传感团队成员刘震说："我们一直在开发各种方案，试图应对这种超高质量超导腔体为这种光照穿墙实验带来的新机遇和新挑战。

研究人员现在可以使用具有不同共振频率的 SRF 腔体来覆盖暗光子潜在质量范围的各个部分。这是因为暗光子质量的峰值灵敏度与其中一个SRF腔中存储的普通光子的频率直接相关。

"参与数据分析和验证设计的 Liu 说："团队对实验进行了多次跟踪和交叉检查。"SRF空腔开启了许多新的搜索可能性。我们覆盖了暗光子质量的新参数区域，这表明了它们的成功性、竞争力和未来的巨大前景。"

"暗SRF实验为SQMS中心正在探索的新一类实验铺平了道路，在这些实验中，这些极高Q值的空腔被用作极其灵敏的探测器，"SQMS中心主任兼该实验的共同PI Anna Grassellino说。"从暗物质到引力波搜索，再到量子力学的基本测试，这些世界上最高效率的空腔将帮助我们发现新物理学的蛛丝马迹。

参考资料
 

A. Romanenko et al, Search for Dark Photons with Superconducting Radio Frequency Cavities, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.261801

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