清華新聞網(wǎng)4月7日電 物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型指出，自然界存在引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力這四種基本相互作用力。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型并不完美，例如它沒(méi)有包含暗物質(zhì)粒子。近幾十年來(lái)，探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，包括尋找暗物質(zhì)粒子，一直是基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域的重要問(wèn)題。在各種實(shí)驗(yàn)方案中，利用精密測(cè)量技術(shù)探測(cè)是否存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新型相互作用力（也被稱(chēng)為“第五種力”）為發(fā)現(xiàn)新物理及尋找暗物質(zhì)粒子提供了重要方法。
可以與微觀(guān)粒子自旋耦合的奇異力是第五種力的重要候選者。例如，理論物理學(xué)家所預(yù)言的暗物質(zhì)可能候選之一軸子（Axion）就是可以傳遞自旋相關(guān)奇異力的粒子。根據(jù)理論預(yù)言，兩個(gè)粒子之間的自旋相關(guān)奇異力取決于粒子的自旋，同時(shí)與粒子的相對(duì)位置、速度等因素有關(guān)。由于這種相互作用極其微弱，到目前為止，尚無(wú)實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明第五種力存在。令人振奮的是，隨著精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，人們可以不斷提高測(cè)量精度，從而可以更精密地探測(cè)這種力的存在性，并不斷降低相應(yīng)耦合系數(shù)的上限。
近日，清華大學(xué)物理系劉永椿副教授及合作者提出新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，給出了自旋相關(guān)奇異力耦合系數(shù)新的限制。該實(shí)驗(yàn)使用兩組特殊設(shè)計(jì)的純鐵包被的衫鈷磁鐵為產(chǎn)生自旋相關(guān)奇異力的自旋源，該自旋源有極高的電子自旋密度和極弱的漏磁。自旋相關(guān)奇異力的探測(cè)可用高靈敏度原子磁力計(jì)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)自旋源被直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來(lái)的時(shí)候，假如自旋相關(guān)奇異力存在，自旋源與原子磁力計(jì)內(nèi)自旋的耦合可以產(chǎn)生極弱的自旋-自旋-速度相關(guān)相互作用，可類(lèi)似為一種等效磁場(chǎng)。通過(guò)設(shè)計(jì)兩組敏感軸反向平行的原子磁力計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)共模噪聲信號(hào)的有效差分抑制，同時(shí)對(duì)自旋相關(guān)奇異力的等效磁場(chǎng)保持靈敏性。
圖1.自旋相關(guān)奇異力測(cè)量裝置示意圖，左邊為原子磁力計(jì)，右邊為自旋源
利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)自旋源周期性順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的有效調(diào)制，可避免直流噪聲的影響。通過(guò)分析多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的信號(hào)，能夠有效去除各種噪聲來(lái)源帶來(lái)的虛假信號(hào)。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，目前并未找到第五種力的信號(hào)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果為電子-質(zhì)子自旋-速度相關(guān)的第五種力的耦合系數(shù)給出了新的限制。由于所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案具有極高的自旋密度、極高的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度和能量分辨率，且能有效抑制共模噪聲，在厘米到千米力程尺度上，該實(shí)驗(yàn)得到的耦合系數(shù)限制比使用其他方法得到的限制提升了十個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著未來(lái)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在達(dá)到足夠高的精度后，有望測(cè)量到第五種力的存在。
圖2.自旋相關(guān)奇異力耦合系數(shù)限制區(qū)間
該研究由清華大學(xué)物理系劉永椿研究組聯(lián)合北京航空航天大學(xué)以及德國(guó)美因茨大學(xué)亥姆霍茲研究所德米特里·巴德克（Dmitry Budker）研究組共同完成。文章于3月28日以“自旋-自旋-速度相關(guān)相互作用的限制”（Constraints on Spin-Spin Velocity-Dependent Interactions）為題發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
德國(guó)美因茨大學(xué)博士后季偉（清華大學(xué)物理系2019屆博士畢業(yè)生，2020年8月-2021年3月?lián)蝿⒂来唤M研究助理）為文章第一作者，清華大學(xué)物理系劉永椿副教授與北京航空航天大學(xué)魏凱副研究員為文章通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息前沿科學(xué)中心和廣東省科技廳的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.133202
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
