中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏副研究員等在量子精密測(cè)量和檢驗(yàn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用自主研制的量子自旋放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一類超越標(biāo)準(zhǔn)模型的宇稱破缺相互作用的超靈敏檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果提升國(guó)際紀(jì)錄至少5個(gè)數(shù)量級(jí)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有天文學(xué)觀測(cè)的空白。

相關(guān)研究成果于1月6日以“Search for exotic parity-violation interactions with quantum spin amplifiers”為題在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上[Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型是20世紀(jì)物理學(xué)建立的最偉大的模型之一。然而，盡管標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大的成功，但許多物理現(xiàn)象如暗物質(zhì)、暗能量、中微子振蕩、正反物質(zhì)不對(duì)稱性等無法被很好解釋。為此，許多理論預(yù)言了可能存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新輕玻色子，如軸子、暗光子、Z玻色子等，其可以作為暗物質(zhì)的候選粒子，補(bǔ)充現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型理論。這些新粒子的能量可能跨度幾十個(gè)量級(jí)的范圍。對(duì)于低能區(qū)的新粒子 (遠(yuǎn)小于1eV)，更加凸顯出粒子的波動(dòng)性，它們的德布羅意波長(zhǎng)甚至要比現(xiàn)在的大型對(duì)撞機(jī)還要大，因此不適于使用粒子對(duì)撞器與加速器等高能裝置進(jìn)行研究。量子傳感器如原子磁力儀、原子鐘彌補(bǔ)了高能裝置對(duì)這類超輕暗物質(zhì)候選粒子的探測(cè)空白，但因這些新粒子與標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)粒子的相互作用十分微弱，亟需一種高靈敏度的量子傳感器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型外的新物理進(jìn)行研究。

圖1 檢驗(yàn)新相互作用的實(shí)驗(yàn)裝置和相應(yīng)的磁探測(cè)靈敏度。

彭新華教授研究組利用近期發(fā)展的量子自旋放大器技術(shù)(圖1A)[Nat. Phys. 17, 1402–1407 (2021)]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)待測(cè)磁信號(hào)2個(gè)數(shù)量級(jí)的放大(圖1B)，并將其應(yīng)用于超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子與新相互作用的搜尋，在國(guó)際上提出了“藍(lán)寶石”研究計(jì)劃，英文縮寫SAHPPHIRE(SpinAmplifier for Particle PHysIcs REsearch)。該計(jì)劃的首批實(shí)驗(yàn)約束了一種由Z玻色子誘導(dǎo)的自旋相互作用，如圖1C所示，此類奇異相互作用是宇稱不守恒的，其強(qiáng)度正比于自旋源內(nèi)的電子自旋數(shù)量。因此本實(shí)驗(yàn)采用了兩個(gè)原子氣體室，一個(gè)利用惰性氣體氙原子作為自旋傳感器，一個(gè)利用堿金屬銣原子作為自旋源。自旋源內(nèi)的堿金屬原子通過激光泵浦實(shí)現(xiàn)約1014的電子極化自旋數(shù)量，并由泵浦光間斷極化，從而產(chǎn)生一個(gè)交流的震蕩奇異場(chǎng)作用于量子自旋傳感器上，并被進(jìn)一步放大和探測(cè)。

相較于其他應(yīng)用于新物理搜尋的共振技術(shù)，量子自旋放大器中的銣原子充當(dāng)嵌入式磁強(qiáng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了惰性氣體氙原子的連續(xù)極化和原位測(cè)量。相比之下，原位測(cè)量提供的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是由于大費(fèi)米接觸放大因子而增強(qiáng)核共振信號(hào)。此外，由于氙核自旋通過與極化銣原子的自旋交換碰撞而連續(xù)極化，自旋放大器可實(shí)現(xiàn)對(duì)奇異場(chǎng)的連續(xù)搜索。由于這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，自旋放大器更適用于奇異相互作用的超靈敏連續(xù)波檢測(cè)。正因如此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)電子與中子之間的宇稱破缺奇異相互作用的約束較國(guó)際前沿實(shí)驗(yàn)界限提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)(如圖2A)，且對(duì)中子與質(zhì)子之間的奇異相互作用進(jìn)行了首次探索(如圖2B)。不僅如此，SAPPHIRE計(jì)劃仍有很大的性能提升空間，研究人員提出利用K-3He自旋放大器與固體自旋源，有望將對(duì)此類奇異相互作用的實(shí)驗(yàn)約束界限進(jìn)一步提升8個(gè)量級(jí)。

圖2 新奇相互作用實(shí)驗(yàn)界限。

審稿人對(duì)這一工作有高度評(píng)價(jià)：“The result is a clearly a major improvement for the field”（該領(lǐng)域的一個(gè)重大提升），“What is particularly remarkable about these results is that they have established strong new constraints, which have improved prior bounds by several orders of magnitude, in a region of parameter space wher there are little or no constraints from astrophysics ”（該實(shí)驗(yàn)最引人注目的是在一個(gè)幾乎沒有天體物理學(xué)約束的參數(shù)空間區(qū)域建立了強(qiáng)有力的新約束，將先前的約束提高了多個(gè)數(shù)量級(jí)）。這一成果展示了SAPPHIRE計(jì)劃下量子精密測(cè)量技術(shù)與粒子物理學(xué)研究的有機(jī)結(jié)合，有望激發(fā)宇宙天文學(xué)、粒子物理學(xué)和原子分子物理學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)的廣泛興趣。

中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生王元泓和黃穎為該文共同第一作者，彭新華教授和江敏副研究員為該文共同通訊作者。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和安徽省的資助。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade0353