北大北航联合刷新第五力实验灵敏度，在关键轴子窗区间提升一万倍

近期，北京大学季伟助理教授与北京航空航天大学魏凯教授团队合作，借助超灵敏的 K-Rb-21Ne 共磁力仪对由轴子（axion）传递的自旋相关相互作用进行了测量。

研究团队设计的磁力仪使用独特的“软磁环绕硬磁”结构以及定制设计的磁屏蔽结构，获得了国际领先的实验灵敏度。相关论文以《轴子传递的偶极偶极相互作用的极限》（Constraints on Axion Mediated Dipole-Dipole Interactions）为题发表在 Physical Review Letters。北京航空航天大学博士毕业生徐子童是第一作者，季伟和魏凯担任共同通讯作者。

图｜相关论文（来源：Physical Review Letters）

轴子是一种非常重要的假想粒子，最初为了解决强相互作用中的 CP 破缺问题而提出。后来，物理学家 J·E·穆迪（J. E. Moody）和弗朗克·维尔切克（Frank Wilczek）在 1984 年进一步提出：如果轴子存在，它可以在费米子之间传递一种全新的自旋相关相互作用。

这种相互作用不属于标准模型描述的四种基本相互作用力——引力、电磁、强相互作用或弱相互作用，所以又被称为“第五种力”。因而轴子有可能揭示标准模型外的新物理。同时，轴子也被认为是轻质量暗物质最热门的候选粒子，为宇宙中看不见的质量提供解释。

自轴子被提出后，世界范围内多个实验室围绕轴子进行精确搜索：包括有天文观测手段像暗物质观测卫星，地下实验室中的高灵敏探测器，以及粒子对撞机等。然而长期以来，这些研究被限制在“轴子窗”之外的探测区域。轴子窗范围大致在 1ueV 到 1meV 之间，对应的力程大约在 0.2 毫米到 20 厘米之间。

图丨季伟（来源：季伟）

图丨季伟（来源：季伟）

其原因在于实验存在显著的权衡：既要有效抑制来自自旋源的磁场泄漏，又要在亚分米尺度的距离上探测亚飞特斯拉量级的奇异物理信号。而在本研究中，研究工作者利用铁屏蔽的 SmCo₅ 自旋源，并结合特制的自补偿共磁力仪，开展了关于轴子介导的自旋相互作用的新实验。

在实验中，研究员将SmCo₅ 永磁体结合软磁外壳加工成微型自旋源，并由电机驱动旋转，从而产生类似经典电磁场的信号。如果轴子介导的“第五力”存在，这个旋转的自旋源同时会像天线一样发射出由第五力产生的奇异电磁场信号。而在另一端，一只精密的原子传感器“耳朵”被竖起检测电磁场信号。研究团队使用的是 K-Rb-21Ne 共磁力仪，其可以感受到奇异电磁场效应，进而产生可被观测到的自旋方向改变。

图｜实验探测原理（来源：Physical Review Letters）

该实验的主要挑战是常规磁场的泄漏强度要远大于这种奇异信号。为此，研究人员设计了复杂的屏蔽方案：利用由三种结构组成的复合磁屏蔽削减常规磁场，同时引入自补偿模式，抵消共磁力仪对常规磁场的响应，但对异常信号仍保持极高灵敏度。季伟对 DeepTech 表示：“这些设计导致普通磁场被压制了 11 个量级，而轴子‘第五力’信号却不会被屏蔽。”

（来源：Physical Review Letters）

最终实验没有观测到预期的第五力信号，但在 0.01meV–0.1meV 的轴子质量区间内，对电子自旋-中子自旋及电子自旋-质子自旋耦合常数给出了迄今最严格的实验限制。在轴子质量约 0.02meV 处，较此前结果提升了超过 1 万倍。

事实上，这并非团队第一次在轴子物理领域取得突破。此前，季伟还与北京大学刘佳助理教授及北京航空航天大学魏凯教授合作团队合作，在超轻暗物质的直接探测方面取得了重要突破。他们提出并实现了“混合自旋共振”（HSR，Hybrid Spin Resonance）新模式，相关论文以《利用共振耦合混合自旋系统寻找暗物质》（Dark matter search with a resonantly-coupleed hybrid spin system）为题发表在 Reports on Progress in Physics 上。北京航空航天大学魏凯教授和博士毕业生徐子童是共同第一作者。

图｜相关论文（来源：Reports on Progress in Physics）

传统的核磁共振方法在暗物质搜索中面临扫描效率低、频率覆盖窄的瓶颈。研究团队同样巧妙利用 K-Rb-21Ne 共磁仪，调节碱金属与惰性气体的耦合，实现了两种原子自旋的共振状态，从而把探测带宽从 0.01Hz 扩展到 35Hz，大幅提升了覆盖范围和灵敏度。最终，他们在 0.01Hz 至 1kHz 内多个频段给出了世界领先的限制，在部分区域甚至首次超越了天文学超新星爆发和中子星冷却的观测限制。

与最新的“第五力”研究相比，该研究关注的是轴子作为暗物质候选者被直接探测。而“第五力”研究则将轴子视为假想粒子，探索其作为新相互作用的传递者可能留下的痕迹。但最终的目的都是为了探索标准物理模型之外的新物理。

而这类实验也在不断推动技术的极限。论文中指出，这次开发的复合磁屏蔽和自补偿共磁力仪，不仅适用于新物理的探索，还可能转化到生物和化学研究中。例如零磁场核磁共振，就需要在强磁场与极低磁场间切换，而团队的屏蔽设计能大幅缩短切换时间，减少信号衰减。季伟指出，该装置的原理也可被应用于极弱磁测量例如脑磁、心磁，目前已经有团队开始研究这方面的产品。此外，该装置也可被放置于空间站上进行基础物理方面的研究。

值得一提的是，该团队不仅在轴子介导的新型相互作用研究中取得重要进展，还在自旋为 1 的暗光子介导相互作用方面取得了新的突破，相关论文即将发表于 PNAS[3]。

参考资料：

1.Xu., Z. et al. Constraints on Axion Mediated Dipole-Dipole Interactions. Phys. Rev. Lett. 134, 181801, 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.181801

2.Kai Weiet al. Dark matter search with a resonantly-coupleed hybrid spin system.Rep. Prog. Phys. 88 057801,2025. https://doi.org/10.1088/1361-6633/adca52

3.https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2512538122