寻找暗光子
暗物质是一种神秘而重要的宇宙成分，约占宇宙总能量的27%，在星系和宇宙大尺度结构的形成中扮演着关键角色。然而，暗物质的本质仍是现代物理学中最重大的未解之谜之一。
物理学家认为暗物质是由粒子构成的。在众多被提出的候选粒子中，暗光子（或称隐光子）是一种引人注目的可能性。正如光子在带电粒子之间传递电磁力，暗光子被设想为在未知的“暗粒子”之间传递力。
近日，清华大学的一个研究团队在《物理评论快报》上发表了一项突破性研究。他们通过分析帕克太阳探测器（PSP）采集的数据，首次尝试在太阳外层大气的等离子体中对暗光子进行原位测量。尽管未能直接检测到任何可能源自暗光子的光谱特征，但研究显著缩小了暗光子可能的性质范围。
从振荡到信号
理论预言，暗光子与普通光子之间可能通过一种称为动力混合（kinetic mixing）的机制发生极其微弱的耦合。这种机制使得暗光子可以在自身与普通光子之间“振荡”——即发生相互转换（如同中微子可以在不同味之间发生振荡一样）。这种微弱的转换过程可以在太阳日冕中得到增强。
日冕是太阳大气的最外层，由热的、高度电离的等离子体组成。在等离子体中，电子会与普通光子相互作用，使光子表现得仿佛有质量一样，其有效质量的大小取决于电子密度。当暗光子的质量与等离子体中光子的有效质量恰好相等时，转换概率就会达到最大。这种现象称为共振转换。
太阳。（图/ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team, E. Kraaikamp (ROB)）
当暗光子穿越日冕并在某处发生共振转换时，会产生近乎单色的普通光子，其能量恰好对应于暗光子的质量。
虽然大部分这种光子会被等离子体吸收或散射，但仍有一部分可逃逸出来，进而在太阳辐射谱中留下可观测的特征信号。
从地面到太空
此前，已经有研究尝试利用地面射电望远镜在日冕中寻找由暗光子转化而来的信号。但这类方法面临两大障碍：
地球电离层会反射低于约10MHz的射电波，阻止地面设备探测与更轻暗光子（10⁻⁶eV/c²以下）对应的低频信号；
地面观测距离太阳较远，信号在传播过程中会出现严重衰减。
为了克服这些限制，研究团队采用了一种创新的原位观测策略：利用深入太阳日冕的帕克太阳探测器，直接测量在太阳等离子体环境中转换的单色光子。帕克太阳探测器是首个进入太阳日冕的人造航天器，它所覆盖的频率范围大约在10kHz至20MHz之间，这个范围超出了地面射电望远镜通常能观测到的传统射电波段。
利用帕克太阳探测器采集的射电数据，研究团队对质量介于3×10⁻¹⁰到8×10⁻⁸eV/c²的暗光子进行了搜索。在低频区域（对应更轻的暗光子），由于灵敏度下降，研究团队还补充分析了日地关系观测台（STEREO）提供的数据，这是一台在距离太阳1个天文单位轨道上运行的观测卫星。
通过将这些航天器记录的数据与理论预期的信号进行比较，研究人员推导出了动量混合参数的上限。这是一个量化了暗光子与普通光子之间的耦合强度的无量纲参数。在所分析的质量范围内，结果显示的上限达到了10⁻¹³到10⁻¹⁴。这个结果比之前通过宇宙微波背景得到的限制还要更强。
新路径，新希望
虽然这项研究并没有发现暗光子存在的证据，但它压缩了暗光子可能存在的参数空间，为后续研究提供了重要参照。
近年来，暗光子暗物质的研究正蓬勃发展。此次工作首度展示了通过太阳等离子体进行原位探测的可行性，为探索低质量、弱耦合暗光子开辟了新路径。
未来，一个极具前景的方向是利用谐振LC电路来提高灵敏度。或许在不久的将来，就将迎来更多突破性的结果。
#参考来源：
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
#图片来源：
封面图&首图：NASA; adapted by S. Ge/Peking University
