我国量子精密测量取得突破，可探测暗物质！

2025年8月11日科技日报发布消息，我国量子精密测量领域取得突破性进展，由北京航空航天大学开发的全新原子自旋传感器成功实现对弱磁场的超高灵敏度与可溯源精准测量。该原子自旋传感器在近地磁量级的磁环境下，能够精准测量比地球磁场还弱十亿倍的磁信号。目前，该传感器已用于探索宇宙中神秘的暗物质候选粒子类轴子。所谓暗物质，一般来说就是不发光、不发出电磁波，也不参与电磁相互作用的物质，那这次北航的原子自旋传感器，为啥又能测量暗物质呢？我们来探寻一下真相。

2019年6月30日下午，在第二十一届中国科协年会闭幕式上，中国科协发布了2019年20个前沿科学问题和工程技术难题，其中第一项就是“暗物质是一种能探测到的基本粒子吗?”

近百年的天文观测显示，宇宙中存在大量看不见摸不着的暗物质。在银河系里，暗物质形成一个巨大的晕将银盘包围起来，使得恒星绕银心的转动速度远超预期。如果没有暗物质，银河系将会分崩离析。与暗物质相对的还有暗能量，这两者是物理和天文学家公认的21世纪最重要的科学谜团，中国科学院2009年发布的“创新2050：科学技术和中国未来”战略研究系列报告指出，“揭开暗物质、暗能量之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃”。

那如何探测暗物质呢？最容易想到的方法是引力，因为暗物质之所以被提出来，正是因为其引力影响。但引力探测的问题在于，无法确定暗物质是由什么组成的。实际上按天文学家的说法，地球就穿行在暗物质当中，每时每刻都有无数暗物质打在我们身上，但我们毫无觉察。而要探测暗物质的具体构成，首先需要对暗物质粒子做理论猜想，然后做对应的检测。

其中比较流行的一种暗物质候选理论，是弱相互作用重粒子（weakly interacting massive particles, WIMP）模型。要检验这种模型，可以通过将探测器放在屏蔽体中，排除外界环境本底的干扰，静候暗物质WIMP粒子打在探测器的原子核上。WIMP粒子与探测器靶的原子核发生弹性散射后，原子核被反冲并带走部分的WIMP粒子动能，通过测量这种反冲，可以发现WIMP粒子。但WIMP粒子与普通物质反应截面极低，决定了它的信号很难被捕捉。

目前中国锦屏地下实验室，正在做这方面的工作。中国锦屏地下实验室(China jinping underground laboratory，CJPL)位于四川省凉山彝族自治州锦屏山下，是目前世界最深的地下实验室，岩石覆盖厚度至少2400米，约6700米等效水深，空间容积约为4000立方米。

因为暗物质理论目前都是推测，所以WIMP并非唯一的模型，常见的非WIMP类型的暗物质候选者有轴子(Axion), 惰性中微子 (Sterilneutrino), 引力子的超对称伴子 (Gravitino) 等。这次北航搞出的全新原子自旋传感器，它探测的就是类轴子。类轴子粒子是一种假想的暗物质候选粒子，其核心特性是能与光和电子发生极微弱的相互作用。因为这种作用极微弱，所以一般是探测不到的，而北航这个原子自旋传感器非常灵敏，在近地磁量级的磁环境下能够精准测量比地球磁场还弱十亿倍的磁信号，所以可用于类轴子探测。

中国现在工程能力很强，但在基础理论上因为起步晚，原创贡献与国际相比还较少。暗物质、暗能量是一个大课题，同时又是一个新领域，抓住这个领域的机会，中国很有可能会出一个甚至多个诺贝尔奖。而暗物质的探测，无疑要靠大科学装置支持，目前在WIMP探测上，有地球最深的锦屏实验室，而在类轴子探测上，又有北航的原子自旋传感器，可以说一切都在向好的方向发展。希望我们能抓住这个机会，从基建狂魔变成诺奖狂魔。