由中国科学科院理论物理研究所，中国科学科院物理研究所，中国科学科院高能物理研究所，中国科学院大学，湖南师范大学，暨南大学，北京工业大学，四川大学，西安工业大学，上海交通大学，和国家天文台等单位组成的APEX合作组（Axion and dark Photon EXperiments collaboration）开展了 7.139 GHz 暗光子的共振腔探测研究，给出了目前世界上最强的实验限制，并在物理期刊《Physics Review D, Letter》上发表论文《Dark photon constraints from a 7.139 GHz cavity haloscope experiment》 (Phys. Rev. D 110 (2024) 2, L021101)。

为了探测7.139 GHz频率的暗光子信号，该实验构建了一个极低温制冷环境，将微波腔放置在接近22毫开尔文的极低温环境中。信号首先通过一个高电子迁移率晶体管（HEMT）放大器进行放大，然后通过一系列微波循环器和隔离器，以防止放大器向腔体注入噪声。信号在室温下进一步放大，然后通过频谱分析仪等进行测量。

实验中没有观测到统计学上显著的信号，因此APEX研究团队得出结论，对质量在29.5 µeV(相应频率为 7.139 GHz)附近的暗光子和光子的混合参数设定了一个大约小于10^-13的90%置信水平的上限。这个限制比之前国际上在相同频率范围内对暗光子暗物质的约束要严格大约一个数量级，具体见下图。

图1. （左）暗光子的动力学混合角和质量的排除区间（蓝色为本次实验）；（右）与国际其它实验组的结果对比。

暗光子是非常有潜力的暗物质候选者，通过动力学混合可以转化为光子。通过这次实验，研究者们为APEX项目奠定了理论指引、实验操作、数据采集和分析的基础。本次实验在29.5微电子伏特频率范围内对暗光子暗物质的约束比国际上其它研究组的结果灵敏度高出一个数量级。未来APEX项目计划实施腔体扫描，增加可用频率范围，添加磁场，采取双路量子干涉等进阶方案。此外，本文的仪器校准部分发表于《Chinese Physics C》(Chin.Phys.C 48 (2024) 7, 073004)。

APEX合作组的轴子和暗光子共振腔探测研究得到了中国科学院全球共性挑战专项项目 (项目批准号：112311KYSB20210012)、中国科学院科研仪器设备研制项目(项目批准号：YJKYYQ20190049)、国家自然科学基金等多个项目的支持。

论文链接 https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.110.L021101