科学家们在通过暗SRF实验寻找假想的暗光子方面已经表现出了非凡的灵敏度。他们使用超导射频(SRF)腔来捕获常规光子，并研究它们向暗光子的转变。这项研究对特定质量范围内暗光子的存在做出了迄今为止最严格的限制。(艺术家的概念。)

费米国家的黑暗SRF实验nal加速器实验室在寻找假想的暗光子方面达到了前所未有的灵敏度。通过创新地使用superco通过感应射频(SRF)空腔，研究人员现在可以探索这些难以捉摸的粒子的不同潜在质量范围，推动我们对暗物质理解的边界。

在美国能源部费米国家加速器实验室从事暗SRF实验的科学家们在一个用于寻找暗光子理论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、无质量的光子捕获在一种叫做超导射频腔的设备中，以寻找这些光子进入假设的暗物质对应体的转变。正如最近发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的文章所述，该实验对暗光子在特定质量范围内的存在给出了世界上最好的限制。

费米实验室超导量子材料与系统中心的研究人员、本研究的合著者罗尼·哈尼克说:“暗光子与我们所熟悉和喜爱的光子相似，但有一些变化。”

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

让我们看到世界上普通物质的光是由光子构成的。但是普通物质只占所有物质的一小部分。我们的宇宙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是不完整的。

在理论学家最简单的版本中，一种未被发现的暗物质粒子可以解释宇宙中所有的暗物质。但许多科学家怀疑，宇宙中的黑暗区域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隐藏的相互作用。

就像电子在某些方面有不同的副本，包括介子和tau，暗光子也会不同于普通光子，并且会有质量。理论上，光子和暗光子一旦产生，就能以特定的速率相互转化，这种速率是由暗光子的特性决定的。

创新地使用SRF腔体

为了寻找暗光子，研究人员进行了一种叫做“光穿墙实验”的实验。这种方法使用两个中空的金属腔来探测普通光子向暗物质光子的转变。科学家将普通光子存储在一个腔中，而另一个腔则空着。然后，他们在空腔中寻找光子的出现。

费米实验室SQMS中心的研究人员在研究SRF腔方面有多年的经验，SRF腔主要用于粒子加速器。SQMS中心的研究人员现在已经将SRF空腔用于其他目的，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。

从左至右站在黑暗SRF实验周围的是SQMS中心主任Anna Grassellino, SQMS科学推力负责人Roni Harnik和SQMS技术推力负责人Alexander Romanenko。资料来源:Reidar Hahn，费米实验室

“我们一直在寻找超导射频腔的其他应用，我了解到这些实验，他们使用两个并排的铜腔来测试穿过墙壁的光，”SQMS中心量子技术推进负责人Alexander Romanenko说。“我立刻明白，我们可以用SRF空腔证明比以前实验中使用的空腔更高的灵敏度。”

该实验首次展示了使用SRF空腔进行光穿壁实验。

罗曼年科和他的合作者使用的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Dark SRF实验中，科学家们在液氦浴中将SRF腔冷却到大约2k，接近绝对零度。

在这个温度下，电磁能量可以毫不费力地流过铌，这使得这些空腔能够有效地存储光子。

“我们一直在开发各种方案，试图应对这种超高质量超导腔为这种光穿墙实验带来的新机遇和挑战，”该研究的合著者、来自明尼苏达大学的SQMS中心物理和传感团队成员刘震说。

研究人员现在可以使用具有不同共振频率的SRF腔来覆盖暗光子潜在质量范围的不同部分。这是因为暗光子质量的峰值灵敏度与存储在其中一个SRF腔中的常规光子的频率直接相关。

负责数据分析和验证设计的刘说:“研究小组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，这一事实显示了它们的成功、竞争力和未来的巨大前景。”

“黑暗SRF实验为SQMS中心正在探索的一类新实验铺平了道路，在那里，这些非常高Q的空腔被用作极其敏感的探测器，”SQMS中心主任、实验的联合负责人安娜·格拉塞利诺说。“从暗物质到引力波搜索，再到量子力学的基本测试，这些世界上效率最高的空腔将帮助我们发现新物理学的线索。”

参考文献:“用超导射频空腔寻找暗光子”，作者:A. Romanenko, R. Harnik, A. Grassellino, R. Pilipenko, Y. Pischalnikov，刘铮，O. S。Melnychuk, B. Giaccone, O. Pronitchev, T. Khabiboulline, D. Frolov, S. Posen, S. Belomestnykh, A. Berlin和A. Hook, 2023年6月26日，物理评论快报。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.261801