目前對暗物質的確切性質知之甚少，一些最有希望的暗物質候選者是極輕的玻色子粒子，如軸子，軸子狀粒子，甚至暗光子。這些也可以被認為是以一定頻率振蕩的經典場。但科學家還不能給出這個頻率的數(shù)值，也就是粒子的質量。

這就是為什么在卡斯珀研究項目中，研究人員正在系統(tǒng)地研究不同的頻率范圍，尋找暗物質的線索。巴克的團隊正在通過宇宙軸自旋進動實驗(Casper)尋找暗物質。

Casper小組在美因茨Johannes Gutenberg大學(JGU)和美因茨Helmholtz研究所(HIM)的Prisma+Cluster of Excellence進行實驗。Casper是一個國際研究項目，使用核磁共振技術來識別和分析暗物質。Casper團隊正在開發(fā)特殊的核磁共振(NMR)技術，每項技術都針對特定的頻率范圍，因此針對特定范圍的暗物質粒子質量。核磁共振一般依賴于這樣一個事實，即核自旋對特定共振頻率下振蕩的磁場做出反應。諧振頻率是通過第二個，通常是靜態(tài)磁場來調節(jié)。

卡斯珀研究計劃的基本思想是，暗物質場可以以同樣的方式影響核自旋。當?shù)厍虼┻^這個磁場時，核自旋的行為就好像他們會經歷一個振蕩的磁場，從而產生暗物質誘導的NMR光譜。在目前的研究中，第一作者Antoine Garcon和同事使用了一種更奇特的技術：零到超低場(ZULF)NMR。通訊作者John W.Blanchard博士說：零到超低場(ZULF)NMR提供了一種核自旋相互作用比它們與外部磁場更強的相互作用機制。

為了使自旋對暗物質敏感，只需施加一個非常小的外部磁場，這就更容易穩(wěn)定了。此外，研究人員首次檢查了關于暗物質誘導邊帶的13C-甲酸ZULF NMR譜，采用一種新的分析方案在多個測量中相干平均任意頻率的邊帶。這種特殊形式的邊帶分析，使科學家能夠在新的頻率范圍內搜索暗物質。沒有檢測到暗物質信號，正如Casper團隊在新一期《科學進展》中報道的那樣，這使得作者可以排除超輕暗物質的耦合超過特定閾值的可能性。

與此同時，這些結果提供了暗物質謎團的另一部分，并補充了卡斯珀項目在6月份報告的先前結果，當時科學家們使用另一種名為共磁法的專門NMR方法探索了更低頻率。就像拼圖游戲一樣，在Casper程序中組合了不同的部分，以進一步縮小暗物質搜索的范圍。這只是第一步，目前科學家們正在實施幾個非常有希望的修改，以增加實驗的敏感性。暗物質這種看不見的物質占宇宙物質的80%以上，是現(xiàn)代物理學最基本的奧秘之一。超輕玻色子，如軸子，軸子狀粒子，或暗光子可能構成大部分暗物質。

這種玻色子和核自旋之間的耦合可以通過核磁共振(NMR)光譜學實現(xiàn)它們的直接檢測：當核自旋穿過銀河系暗物質暈時，它們與暗物質耦合，表現(xiàn)得就像處于振蕩磁場中，產生暗物質驅動的NMR信號。作為宇宙軸子自旋進動實驗(Casper)的一部分，基于NMR的暗物質搜索，研究使用超低場NMR來探測軸子-費米子“風”耦合和暗光子耦合到核自旋。在背景之上沒有檢測到暗物質信號，為質量從1.8×10^?16到7.8×10^?14 eV的暗物質玻色子建立了新的實驗界限。

博科園｜研究/來自：美因茨大學

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax4539

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