暗物質是當今物理學最大的未解之謎之一，其本質和性質仍隱藏在宇宙的深處。傳統探測手段多依賴于地下實驗、空間望遠鏡或粒子對撞機，而近日一項創新研究提出：地球本身及其周圍的磁場，可成為一個天然的“暗物質探測器”。

北京大學博雅特聘教授舒菁聯合南京師范大學武雷教授、紫金山天文臺袁強研究員、煙臺大學祝斌教授等合作團隊，開創性地提出利用地球磁場作為探測媒介，對一類稱為“微荷暗物質”的超輕暗物質開展高靈敏度搜尋，并基于全球地磁監測數據給出了顯著優于現有結果的嚴格限制。相關成果以“Search for Ultralight Millicharged Dark Matter with Geomagnetic Signals”為題發表于Physical Review Letters，并入選Featured in Physics，受到美國物理學會官網專題報道。

圖1 利用地球磁場探測微荷暗物質的原理圖

在研究中，作者提出：地球表面與電離層之間形成一個天然的電磁諧振腔。當超輕的微荷暗物質穿過地球磁場時，會與光子場耦合，產生一個振蕩的“等效電流”，進而激發一個可在地表探測的交變磁場信號，如圖1所示。該信號具有獨特的1/m_?²質量依賴關系，因此在極輕質量區間（低于10^?14eV）靈敏度顯著提升。

圖2 根據SuperMAG與SNIPE Hunt的數據得到的微荷暗物質的靈敏度限制圖

研究團隊利用SuperMAG全球地磁臺網數十年積累的數據，以及SNIPE Hunt合作組在美國多地部署的高精度磁力計測量結果，對微荷暗物質進行了系統分析。結果顯示，該方法對暗物質電荷的限制比以往通過恒星冷卻觀測得到的限制強了13至18個數量級，在極輕質量區間實現了前所未有的探測靈敏度，如圖2所示。

該方法不僅為超輕暗物質的探測開辟了一條全新途徑，也展示了 “地球作為實驗室” 在基礎物理研究中的巨大潛力。未來，隨著更高靈敏度的磁力計和更密集的全球地磁監測網絡的部署，人類有望在更寬的質量范圍內搜尋暗物質，甚至直接發現其存在的信號。

本論文第一作者為南京師范大學的Ariel Arza和龔遠林，舒菁、武雷、袁強、祝斌為共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金、中國科學院基礎研究領域青年團隊的支持。