【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)物理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)天文學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作，在暗能量探測(cè)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了磁懸浮精密力測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)對(duì)稱場(chǎng)暗能量理論進(jìn)行了高精度實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)精度將目前國(guó)際最好水平提升了六個(gè)數(shù)量級(jí)，覆蓋了大量之前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)未能檢測(cè)的空白參數(shù)空間。
 

　　當(dāng)前的天文學(xué)觀測(cè)表明，我們的宇宙正處于加速膨脹中。暗能量被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)宇宙膨脹的主要原因，并占據(jù)可觀測(cè)宇宙總能量的70%。但是，作為宇宙中最神秘的存在之一，暗能量的本質(zhì)是什么，它以何種方式與普通物質(zhì)世界發(fā)生作用，目前仍然未知。對(duì)稱場(chǎng)理論(Symmetron)能夠很好地融入包含低能標(biāo)量場(chǎng)的大一統(tǒng)理論框架中，是國(guó)際上公認(rèn)的暗能量理論的重要候選者之一。除了已知的四種基本相互作用之外，該理論預(yù)言了一種“第五種力”，作用于普通物質(zhì)。然而，依賴于自發(fā)對(duì)稱性破缺——粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和凝聚態(tài)物理中的一個(gè)基石性基本原理，對(duì)稱場(chǎng)暗能量場(chǎng)可以在高密度環(huán)境中有效地隱藏自己，避免被檢測(cè)到。
 

　　長(zhǎng)久以來，科學(xué)家對(duì)于暗能量的認(rèn)知和研究主要基于天文觀測(cè)，如Ⅰa型超新星，宇宙微波背景輻射，重子聲波振蕩等。近年來，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，利用地面精密實(shí)驗(yàn)搜尋暗能量逐漸成為一條嶄新路徑。目前，國(guó)際上檢驗(yàn)對(duì)稱場(chǎng)理論的地面實(shí)驗(yàn)手段主要有經(jīng)典扭擺、中子重力振蕩、冷原子干涉儀等。該理論的屏蔽機(jī)制使得，在高密度實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，暗能量第五種力變得非常微弱，這給實(shí)驗(yàn)檢測(cè)帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前，仍有大量空白參數(shù)空間未能得到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。特別是在亞毫米距離尺度，尚未有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)υ摾碚撨M(jìn)行高精度檢驗(yàn)。
 

　　圖1. 基于磁懸浮力學(xué)振子構(gòu)建的第五種力精密測(cè)量系統(tǒng)(左)與力測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果(右)
 

　　針對(duì)這些挑戰(zhàn)，科研團(tuán)隊(duì)利用磁懸浮力學(xué)振子——這一近年來新興的精密力測(cè)量系統(tǒng)，精巧地構(gòu)建了一個(gè)第五種力精密測(cè)量平臺(tái)(如圖1左)。從2018年至今，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聚焦于磁懸浮振子系統(tǒng)發(fā)展了大量精密測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際領(lǐng)先的加速度探測(cè)精度。該研究中，利用磁懸浮力傳感器來探測(cè)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量源預(yù)期產(chǎn)生的周期性第五種力信號(hào)。針對(duì)對(duì)稱場(chǎng)模型，研究團(tuán)隊(duì)在大規(guī)模數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)力探測(cè)器和信號(hào)源的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以最大化第五種力的探測(cè)效率；并設(shè)計(jì)了電磁力屏蔽系統(tǒng)、溫度穩(wěn)定系統(tǒng)、振動(dòng)隔離系統(tǒng)等，以充分抑制環(huán)境噪聲、電磁力噪聲等對(duì)預(yù)期目標(biāo)信號(hào)的干擾，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)累積。最終，研究團(tuán)隊(duì)在亞毫米尺度上實(shí)現(xiàn)了迄今為止最高的力測(cè)量精度，給出第五種力的上限為0.3 fN(如圖1右)。該研究成功地在三維參數(shù)空間中將對(duì)稱場(chǎng)理論的參數(shù)限制提升了6個(gè)數(shù)量級(jí)以上，覆蓋了大量之前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)未能檢測(cè)的空白參數(shù)空間(如圖2)。
 

　　圖2. 本研究中暗能量檢測(cè)結(jié)果：對(duì)稱場(chǎng)暗能量場(chǎng)與普通物質(zhì)的耦合界限，λ-Μs 參數(shù)平面(左)和Μs-μ 參數(shù)平面(右)。各染色區(qū)域代表被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)并被排除的參數(shù)區(qū)間，紅色區(qū)域代表本研究結(jié)果。
 

　　該研究展現(xiàn)了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室精密力測(cè)量實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展，表明磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)在檢驗(yàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新相互作用方面具有巨大潛力。審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)：“The new bounds in the case of μ=2.4 meV corresponding to the dark energy scale improve greatly on the previously published ones.”(在對(duì)應(yīng)暗能量的2.4 meV能量尺度上，新設(shè)定的參數(shù)界限相比之前發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了大提升)。
 

　　相關(guān)研究成果以“?Experimental constraints on symmetron field with magnetically levitated force sensor”為題，于1月20日線上發(fā)表于Nature Astronomy期刊，并入選為期刊亮點(diǎn)文章在Research Briefing欄目進(jìn)行了專題報(bào)道。物理學(xué)院特任副研究員印沛然，天文學(xué)院碩士研究生徐翔宇和物理學(xué)院碩士研究生田柯楠為該文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)林劭春副研究員，物理學(xué)院黃璞教授，天文學(xué)院何建華教授和浙江大學(xué)杜江峰院士為該論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、江蘇省科技廳等的資助，同時(shí)得到了固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、南京大學(xué)高性能計(jì)算中心等的支持。