目前對暗物質的確切性質知之甚少，一些最有希望的暗物質候選者是極輕的玻色子粒子，如軸子，軸子狀粒子，甚至暗光子。這些也可以被認為是以一定頻率振盪的經典場。但科學家還不能給出這個頻率的數值，也就是粒子的品質。這就是為什麼在卡斯珀研究專案中，研究人員正在系統地研究不同的頻率範圍，尋找暗物質的線索。巴克的團隊正在通過宇宙軸自旋進動實驗(Casper)尋找暗物質。

Casper小組在美因茨Johannes Gutenberg大學(JGU)和美因茨Helmholtz研究所(HIM)的Prisma+Cluster of Excellence進行實驗。Casper是一個國際研究專案，使用核磁共振技術來識別和分析暗物質。

Casper團隊正在開發特殊的核磁共振(NMR)技術，每項技術都針對特定的頻率範圍，因此針對特定範圍的暗物質粒子品質。核磁共振一般依賴於這樣一個事實，即核自旋對特定共振頻率下振盪的磁場做出反應。諧振頻率是通過第二個，通常是靜態磁場來調節。卡斯珀研究計劃的基本思想是，暗物質場可以以同樣的方式影響核自旋。

當地球穿過這個磁場時，核自旋的行為就好像他們會經歷一個振盪的磁場，從而產生暗物質誘導的NMR光譜。在目前的研究中，第一作者Antoine Garcon和同事使用了一種更奇特的技術：零到超低場(ZULF)NMR。通訊作者John W.Blanchard博士說：零到超低場(ZULF)NMR提供了一種核自旋相互作用比它們與外部磁場更強的相互作用機制。

為了使自旋對暗物質敏感，只需施加一個非常小的外部磁場，這就更容易穩定了。此外，研究人員首次檢查了關於暗物質誘導邊帶的13C-甲酸ZULF NMR譜，採用一種新的分析方案在多個測量中相干平均任意頻率的邊帶。這種特殊形式的邊帶分析，使科學家能夠在新的頻率範圍內搜尋暗物質。沒有檢測到暗物質訊號，正如Casper團隊在新一期《科學進展》中報道的那樣，這使得作者可以排除超輕暗物質的耦合超過特定閾值的可能性。

與此同時，這些結果提供了暗物質謎團的另一部分，並補充了卡斯珀專案在6月份報告的先前結果，當時科學家們使用另一種名為共磁法的專門NMR方法探索了更低頻率。就像拼圖遊戲一樣，在Casper程式中組合了不同的部分，以進一步縮小暗物質搜尋的範圍。這只是第一步，目前科學家們正在實施幾個非常有希望的修改，以增加實驗的敏感性。暗物質這種看不見的物質佔宇宙物質的80%以上，是現代物理學最基本的奧祕之一。超輕玻色子，如軸子，軸子狀粒子，或暗光子可能構成大部分暗物質。

這種玻色子和核自旋之間的耦合可以通過核磁共振(NMR)光譜學實現它們的直接檢測：當核自旋穿過銀河系暗物質暈時，它們與暗物質耦合，表現得就像處於振盪磁場中，產生暗物質驅動的NMR訊號。作為宇宙軸子自旋進動實驗(Casper)的一部分，基於NMR的暗物質搜尋，研究使用超低場NMR來探測軸子-費米子“風”耦合和暗光子耦合到核自旋。在背景之上沒有檢測到暗物質訊號，為品質從1.8×10^−16到7.8×10^−14 eV的暗物質玻色子建立了新的實驗界限。

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax4539