尋找暗光子
暗物質(zhì)是一種神秘而重要的宇宙成分，約占宇宙總能量的27%，在星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成中扮演著關(guān)鍵角色。然而，暗物質(zhì)的本質(zhì)仍是現(xiàn)代物理學(xué)中最重大的未解之謎之一。
物理學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是由粒子構(gòu)成的。在眾多被提出的候選粒子中，暗光子（或稱隱光子）是一種引人注目的可能性。正如光子在帶電粒子之間傳遞電磁力，暗光子被設(shè)想為在未知的“暗粒子”之間傳遞力。
近日，清華大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究。他們通過分析帕克太陽(yáng)探測(cè)器（PSP）采集的數(shù)據(jù)，首次嘗試在太陽(yáng)外層大氣的等離子體中對(duì)暗光子進(jìn)行原位測(cè)量。盡管未能直接檢測(cè)到任何可能源自暗光子的光譜特征，但研究顯著縮小了暗光子可能的性質(zhì)范圍。
從振蕩到信號(hào)
理論預(yù)言，暗光子與普通光子之間可能通過一種稱為動(dòng)力混合（kinetic mixing）的機(jī)制發(fā)生極其微弱的耦合。這種機(jī)制使得暗光子可以在自身與普通光子之間“振蕩”——即發(fā)生相互轉(zhuǎn)換（如同中微子可以在不同味之間發(fā)生振蕩一樣）。這種微弱的轉(zhuǎn)換過程可以在太陽(yáng)日冕中得到增強(qiáng)。
日冕是太陽(yáng)大氣的最外層，由熱的、高度電離的等離子體組成。在等離子體中，電子會(huì)與普通光子相互作用，使光子表現(xiàn)得仿佛有質(zhì)量一樣，其有效質(zhì)量的大小取決于電子密度。當(dāng)暗光子的質(zhì)量與等離子體中光子的有效質(zhì)量恰好相等時(shí)，轉(zhuǎn)換概率就會(huì)達(dá)到最大。這種現(xiàn)象稱為共振轉(zhuǎn)換。
太陽(yáng)。（圖/ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team, E. Kraaikamp (ROB)）
當(dāng)暗光子穿越日冕并在某處發(fā)生共振轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生近乎單色的普通光子，其能量恰好對(duì)應(yīng)于暗光子的質(zhì)量。
雖然大部分這種光子會(huì)被等離子體吸收或散射，但仍有一部分可逃逸出來，進(jìn)而在太陽(yáng)輻射譜中留下可觀測(cè)的特征信號(hào)。
從地面到太空
此前，已經(jīng)有研究嘗試?yán)玫孛嫔潆娡h(yuǎn)鏡在日冕中尋找由暗光子轉(zhuǎn)化而來的信號(hào)。但這類方法面臨兩大障礙：
地球電離層會(huì)反射低于約10MHz的射電波，阻止地面設(shè)備探測(cè)與更輕暗光子（10??eV/c2以下）對(duì)應(yīng)的低頻信號(hào)；
地面觀測(cè)距離太陽(yáng)較遠(yuǎn)，信號(hào)在傳播過程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重衰減。
為了克服這些限制，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種創(chuàng)新的原位觀測(cè)策略：利用深入太陽(yáng)日冕的帕克太陽(yáng)探測(cè)器，直接測(cè)量在太陽(yáng)等離子體環(huán)境中轉(zhuǎn)換的單色光子。帕克太陽(yáng)探測(cè)器是首個(gè)進(jìn)入太陽(yáng)日冕的人造航天器，它所覆蓋的頻率范圍大約在10kHz至20MHz之間，這個(gè)范圍超出了地面射電望遠(yuǎn)鏡通常能觀測(cè)到的傳統(tǒng)射電波段。
利用帕克太陽(yáng)探測(cè)器采集的射電數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)質(zhì)量介于3×10?1?到8×10??eV/c2的暗光子進(jìn)行了搜索。在低頻區(qū)域（對(duì)應(yīng)更輕的暗光子），由于靈敏度下降，研究團(tuán)隊(duì)還補(bǔ)充分析了日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)（STEREO）提供的數(shù)據(jù)，這是一臺(tái)在距離太陽(yáng)1個(gè)天文單位軌道上運(yùn)行的觀測(cè)衛(wèi)星。
通過將這些航天器記錄的數(shù)據(jù)與理論預(yù)期的信號(hào)進(jìn)行比較，研究人員推導(dǎo)出了動(dòng)量混合參數(shù)的上限。這是一個(gè)量化了暗光子與普通光子之間的耦合強(qiáng)度的無(wú)量綱參數(shù)。在所分析的質(zhì)量范圍內(nèi)，結(jié)果顯示的上限達(dá)到了10?13到10?1?。這個(gè)結(jié)果比之前通過宇宙微波背景得到的限制還要更強(qiáng)。
新路徑，新希望
雖然這項(xiàng)研究并沒有發(fā)現(xiàn)暗光子存在的證據(jù)，但它壓縮了暗光子可能存在的參數(shù)空間，為后續(xù)研究提供了重要參照。
近年來，暗光子暗物質(zhì)的研究正蓬勃發(fā)展。此次工作首度展示了通過太陽(yáng)等離子體進(jìn)行原位探測(cè)的可行性，為探索低質(zhì)量、弱耦合暗光子開辟了新路徑。
未來，一個(gè)極具前景的方向是利用諧振LC電路來提高靈敏度?；蛟S在不久的將來，就將迎來更多突破性的結(jié)果。
#參考來源：
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.171001
https://physics.aps.org/articles/v18/91
https://www.nature.com/articles/d41586-025-01335-1
#圖片來源：
封面圖&首圖：NASA; adapted by S. Ge/Peking University
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