【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)物理學(xué)院研究團隊與南京大學(xué)天文學(xué)院研究團隊、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊、浙江大學(xué)研究團隊合作，在暗能量探測領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊構(gòu)建了磁懸浮精密力測量系統(tǒng)，對對稱場暗能量理論進行了高精度實驗檢測。相關(guān)實驗精度將目前國際最好水平提升了六個數(shù)量級，覆蓋了大量之前的實驗系統(tǒng)未能檢測的空白參數(shù)空間。
 

　　當(dāng)前的天文學(xué)觀測表明，我們的宇宙正處于加速膨脹中。暗能量被認(rèn)為是驅(qū)動宇宙膨脹的主要原因，并占據(jù)可觀測宇宙總能量的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。對稱場理論(Symmetron)能夠很好地融入包含低能標(biāo)量場的大一統(tǒng)理論框架中，是國際上公認(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)物理中的一個基石性基本原理，對稱場暗能量場可以在高密度環(huán)境中有效地隱藏自己，避免被檢測到。
 

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

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

　　針對這些挑戰(zhàn)，科研團隊利用磁懸浮力學(xué)振子——這一近年來新興的精密力測量系統(tǒng)，精巧地構(gòu)建了一個第五種力精密測量平臺(如圖1左)。從2018年至今，南京大學(xué)研究團隊聚焦于磁懸浮振子系統(tǒng)發(fā)展了大量精密測量技術(shù)，實現(xiàn)了國際領(lǐng)先的加速度探測精度。該研究中，利用磁懸浮力傳感器來探測旋轉(zhuǎn)質(zhì)量源預(yù)期產(chǎn)生的周期性第五種力信號。針對對稱場模型，研究團隊在大規(guī)模數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，對力探測器和信號源的幾何結(jié)構(gòu)進行了最優(yōu)化設(shè)計，以最大化第五種力的探測效率；并設(shè)計了電磁力屏蔽系統(tǒng)、溫度穩(wěn)定系統(tǒng)、振動隔離系統(tǒng)等，以充分抑制環(huán)境噪聲、電磁力噪聲等對預(yù)期目標(biāo)信號的干擾，實現(xiàn)了信號的長時間連續(xù)累積。最終，研究團隊在亞毫米尺度上實現(xiàn)了迄今為止最高的力測量精度，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)空間中將對稱場理論的參數(shù)限制提升了6個數(shù)量級以上，覆蓋了大量之前的實驗系統(tǒng)未能檢測的空白參數(shù)空間(如圖2)。
 

　　圖2. 本研究中暗能量檢測結(jié)果：對稱場暗能量場與普通物質(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)域代表被實驗檢驗并被排除的參數(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)前實驗室精密力測量實驗技術(shù)的進展，表明磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)在檢驗超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新相互作用方面具有巨大潛力。審稿人對該工作給予了高度評價：“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)表的實驗結(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，并入選為期刊亮點文章在Research Briefing欄目進行了專題報道。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。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、江蘇省科技廳等的資助，同時得到了固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、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)高性能計算中心等的支持。