人才强校｜中国农大理学院应用物理系赵志超引力子质量研究成果入选粒子物理最高标准手册

摘要：日前，我校理学院应用物理系赵志超与中国科学院合作完成的论文《通过分析 2023 年脉冲星计时阵列数据揭示引力子质量界限》（Unveiling the Graviton Mass Bounds through the Analysis of 2023 Puls

日前，我校理学院应用物理系赵志超与中国科学院合作完成的论文《通过分析 2023 年脉冲星计时阵列数据揭示引力子质量界限》（Unveiling the Graviton Mass Bounds through the Analysis of 2023 Pulsar Timing Array Data Releases）正式被国际粒子物理“黄金标准”——《粒子物理学综述》（Review of Particle Physics）（粒子数据手册Particle Data Group，PDG）2025 版收录，并在“graviton mass”条目下首次单列“PTA”方法给出最新实验极限。这是首次通过研究脉冲星计时阵列（PTA）数据进入 PDG 引力子质量核心列表，标志着该领域从零到一的建立，更标志着我校在基础引力研究领域取得里程碑式突破。“PTA”方法此前未曾出现在该表，本次系 PDG 为本成果专门增设，凸显其开创性与权威价值。该成果将用于指导国际范围内的粒子物理理论和实验研究。

Particle Data Group（PDG）总部设在美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL），由来自 25 个国家 173 家机构的 240 多名科学家组成。PDG系统汇总并评定全球最新的粒子性质测量、实验极限与权威综述，包含了历史上众多获得诺贝尔奖的新粒子，例如2012 年所发现的被英国科学家希格斯所预言的 “上帝粒子”（希格斯粒子），被誉为高能物理及相关宇宙学研究的“黄金标准”（图 1）。 PDG 表格中的任何数值都会被全球高能物理、天体物理教科书和综述广泛引用；一经收录，即成为后续实验和理论研究的参考基准。本成果是国内学者基于 PTA 数据首次进入 PDG 核心引力子质量限表，为我国在基础引力研究领域赢得了宝贵席位，亦体现了我国 PTA 研究成果在国际舞台上的高度认可。除本成果外，国内仅北京大学和国家天文台作为通讯单位或第一单位被PDG 引力子质量条目收录。

图 1 粒子物理手册在线版首页

赵志超与合作者通过对 PTA 随机引力波背景角相关函数（Hellings–Downs 曲线）进行系统拟合，验证了 PTA 在纳赫兹频段直接限制引力子质量的独特优势，并指出随着观测时间基线延长及射电望远镜灵敏度提升，上述质量上限有望在未来 5–10 年内再降低一个数量级（图 2）。研究还探讨了超轻张量场作为暗物质候选的可行性，为“张量暗物质”模型提供了新的观测约束。本工作跨越引力波物理、宇宙学与粒子物理多个方向，深化了对随机引力波背景的理解，并为未来空间引力波探测器（如太极、天琴、LISA）在低频段检验“质量化引力”理论奠定了基础。

图 2 Hellings–Downs 曲线的理论值和实测值

该工作综合 NANOGrav 15 年观测数据和中国脉冲星计时阵列（CPTA）首批数据，给出了迄今最严格的 90 % 置信区间上限：NANOGrav 数据 mg ≤ 8.6 × 10⁻²⁴ eV，CPTA 数据 mg ≤ 3.8 × 10⁻²³ eV；同时首次推导出 PTA 观测的宇宙方差极限，为未来 PTA 以及空间引力波探测器的灵敏度规划提供理论基准。两项成果均被 PDG 收录（图 3）。该成果已发表于自然指数、JCR 一区期刊《物理评论D》（Physical Review D）。