尋找暗光子

暗物質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構的形成中扮演著關鍵角色。然而，暗物質的本質仍是現代物理學中最重大的未解之謎之一。

物理學家認為暗物質是由粒子構成的。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，暗光子被設想為在未知的“暗粒子”之間傳遞力。

近日，清華大學的一個研究團隊在《物理評論快報》上發表了一項突破性研究。他們通過分析帕克太陽探測器（PSP）采集的數據，首次嘗試在太陽外層大氣的等離子體中對暗光子進行原位測量。盡管未能直接檢測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范圍。

從振蕩到信號

理論預言，暗光子與普通光子之間可能通過一種稱為動力混合（kinetic mixing）的機制發生極其微弱的耦合。這種機制使得暗光子可以在自身與普通光子之間“振蕩”——即發生相互轉換（如同中微子可以在不同味之間發生振蕩一樣）。這種微弱的轉換過程可以在太陽日冕中得到增強。

日冕是太陽大氣的最外層，由熱的、高度電離的等離子體組成。在等離子體中，電子會與普通光子相互作用，使光子表現得仿佛有質量一樣，其有效質量的大小取決于電子密度。當暗光子的質量與等離子體中光子的有效質量恰好相等時，轉換概率就會達到最大。這種現象稱為共振轉換。

太陽。（圖/ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team, E. Kraaikamp (ROB)）

當暗光子穿越日冕并在某處發生共振轉換時，會產生近乎單色的普通光子，其能量恰好對應于暗光子的質量。

雖然大部分這種光子會被等離子體吸收或散射，但仍有一部分可逃逸出來，進而在太陽輻射譜中留下可觀測的特征信號。

從地面到太空

此前，已經有研究嘗試利用地面射電望遠鏡在日冕中尋找由暗光子轉化而來的信號。但這類方法面臨兩大障礙：

• 地球電離層會反射低于約10MHz的射電波，阻止地面設備探測與更輕暗光子（10??eV/c2以下）對應的低頻信號；

• 地面觀測距離太陽較遠，信號在傳播過程中會出現嚴重衰減。

為了克服這些限制，研究團隊采用了一種創新的原位觀測策略：利用深入太陽日冕的帕克太陽探測器，直接測量在太陽等離子體環境中轉換的單色光子。帕克太陽探測器是首個進入太陽日冕的人造航天器，它所覆蓋的頻率范圍大約在10kHz至20MHz之間，這個范圍超出了地面射電望遠鏡通常能觀測到的傳統射電波段。

利用帕克太陽探測器采集的射電數據，研究團隊對質量介于3×10?1?到8×10??eV/c2的暗光子進行了搜索。在低頻區域（對應更輕的暗光子），由于靈敏度下降，研究團隊還補充分析了日地關系觀測臺（STEREO）提供的數據，這是一臺在距離太陽1個天文單位軌道上運行的觀測衛星。

通過將這些航天器記錄的數據與理論預期的信號進行比較，研究人員推導出了動量混合參數的上限。這是一個量化了暗光子與普通光子之間的耦合強度的無量綱參數。在所分析的質量范圍內，結果顯示的上限達到了10?13到10?1?。這個結果比之前通過宇宙微波背景得到的限制還要更強。

新路徑，新希望

雖然這項研究并沒有發現暗光子存在的證據，但它壓縮了暗光子可能存在的參數空間，為后續研究提供了重要參照。

近年來，暗光子暗物質的研究正蓬勃發展。此次工作首度展示了通過太陽等離子體進行原位探測的可行性，為探索低質量、弱耦合暗光子開辟了新路徑。

未來，一個極具前景的方向是利用諧振LC電路來提高靈敏度。或許在不久的將來，就將迎來更多突破性的結果。

#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