近日，北京大学物理学院刘佳助理教授与清华大学物理系安海鹏副教授、北京大学高能物理研究中心博士后葛帅良（现为韩国科学技术院和美国芝加哥大学联合博士后）、巴黎天文台博士后刘明哲（现为加州大学伯克利分校空间科学实验室博士后）展开合作，基于帕克太阳探测器（Parker Solar Probe, PSP）所获取的原位（In Situ）测量数据，对暗光子暗物质在太阳日冕层中共振转化可能产生的单频光子信号进行研究，突破地面射电观测窗口的限制，获得目前最强的实验约束。

相关研究成果以“利用帕克太阳探测器对暗光子暗物质的原位测量：突破射电观测窗口”（In Situ Measurements of Dark Photon Dark Matter Using Parker Solar Probe: Going beyond the Radio Window）为题，于2025年4月28日发表于《物理评论快报》，受到编辑推荐（Editors’ Suggestion）和物理学推荐（Featured in Physics）以及APS Physics专题报道[1]。

暗物质的本质是当代粒子物理学与天体物理学领域最重大的科学难题之一。研究暗物质的粒子性质不仅能为超越标准模型的新物理提供关键线索，也将深化人类对宇宙基本构成的理解。传统的大质量弱相互作用粒子（WIMP）模型因其热退耦机制可自然解释当前宇宙学观测到的暗物质丰度，长期以来被视为最有力的候选者。然而，尽管自20世纪80年代以来全球开展了大量直接探测实验，WIMP暗物质的确凿证据至今仍未发现。

与WIMP这类粒子性显著的重质量暗物质相对应，超轻暗物质表现出鲜明的波动特性。为满足暗物质的宇宙丰度，超轻暗物质的数密度非常高，可用经典场论描述，且必须为玻色粒子。暗光子作为标准模型之外的一种U(1)规范玻色子，常出现在弦理论额外维紧致化之后的低能有效场论中。通过高能标下带电粒子的圈图效应，暗光子可与标准模型光子发生动力学混合，从而产生极其微弱的电磁流耦合。这种具有极轻质量的暗光子，正是波动型暗物质的典型代表。

在理论探索方面，刘佳课题组（与安海鹏、中山大学物理与天文学院黄发朋副教授、佛罗里达大学大学物理系薛巍助理教授合作）于2021年曾提出通过太阳日冕探测的新方案[2]：如果暗光子暗物质确实存在，那么太阳日冕层（其电子密度决定了等离子体频率）应当成为一个天然的“探测器”，能够将暗光子共振转换为可观测的单频无线电信号。该探测方案可以由地面射电望远镜实施，但是由于地球电离层以及大气的影响，其探测频率范围局限于射电观测窗口（大约为10 MHz至100 GHz）。

本次研究利用帕克太阳探测器（PSP）所获取的原位（In Situ）测量数据来搜寻暗光子暗物质的信号。帕克太阳探测器是人类首个进入太阳日冕的航天器，同时创造了距太阳中心最近的飞行记录。其原位观测突破了传统射电观测的局限，覆盖约 10 kHz 至 20 MHz的频率范围，这一频段由于电离层屏蔽，地面射电望远镜几乎无法进行观测。此外，帕克太阳探测器靠近光子的共振转化区域，所接收到的信号相比地面观测显著增强。因此，其探测数据在70 kHz 到 20 MHz的频率范围内，对动力学混合参量ϵ设立了目前最严格的实验约束，达到ϵ ≲ 10^-14-- 10^-13。该研究结果由图1所示。

图1：左图为帕克太阳探测器在距太阳中心距离为 R 处的测量结果；右图为帕克太阳探测器与STEREO卫星完整数据集给出的实验限制。

根据高能物理学界惯例，作者按姓氏的英文字母顺序署名。该研究得到国家自然科学基金、科技部、清华大学笃实计划、北京大学高能物理研究中心、北京大学博雅博士后、博士后国际交流计划引进项目等资助。

论文原文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.171001

参考文献

[1]https://physics.aps.org/articles/v18/91

[2] H. An, F.P. Huang, J. Liu and W. Xue, Radio-frequency Dark Photon Dark Matter across the Sun, Phys. Rev. Lett. 126 (2021), 181102