中國(guó)科大探索萬(wàn)有引力對(duì)粒子自旋的作用

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)盛東教授與盧征天教授的聯(lián)合課題組利用高精度氙同位素共磁力儀尋找中子自旋與萬(wàn)有引力的耦合效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中子在自旋朝上與朝下之間的重量差別小于十萬(wàn)億億分之二（<2×10-21），結(jié)果將該效應(yīng)的耦合強(qiáng)度設(shè)定了新的上限。相關(guān)成果以“Search for Spin-Dependent Gravitational Interactions at Earth Range”為題于5月15日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett. 130, 201401 (2023)]。美國(guó)物理學(xué)會(huì)的《物理》雜志同時(shí)發(fā)表題為“Testing Gravity’s Effect on Quantum Spins”的報(bào)道，指出這項(xiàng)精密測(cè)量研究在量子理論與引力相遇的區(qū)域做出了新的探索。

圖 1 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中子在自旋朝上與朝下之間的重量差別小于十萬(wàn)億億分之二。

自然界有四種基本物理相互作用力，它們當(dāng)中唯有引力還未在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)與粒子自旋相關(guān)。假如自旋與引力耦合，那么處于不同自旋態(tài)的粒子在地球重力場(chǎng)中就會(huì)有極其微小的能量和受力差別。自上世紀(jì)70年代以來(lái)，研究人員發(fā)展出了多種經(jīng)典或者量子測(cè)量方法來(lái)尋找自旋與重力的耦合現(xiàn)象，不斷提高測(cè)量精度。同時(shí)，這類實(shí)驗(yàn)還檢驗(yàn)引力作用中的基本時(shí)空對(duì)稱性，尋找傳播單極-偶極相互作用的類軸子粒子。

中科大課題組利用自主開(kāi)發(fā)的原子器件和光譜測(cè)量技術(shù) [Phys. Rev. A 102, 043109 (2020)]，以及為抑制共磁力儀系統(tǒng)誤差發(fā)展的精密測(cè)量手段[Phys. Rev. Lett. 128, 231803 (2022)]，研制成兼顧高穩(wěn)定性和高靈敏度的129Xe-131Xe-Rb共磁力儀。課題組將該共磁力儀作為一個(gè)量子羅盤來(lái)使用（quantum compass，儀器所測(cè)量的是自旋朝上與朝下的兩個(gè)量子態(tài)之間的相干效應(yīng)），通過(guò)對(duì)原子進(jìn)動(dòng)的測(cè)量，將系統(tǒng)的量子化軸方向?qū)?zhǔn)地球自轉(zhuǎn)軸（即北極星方向），重合程度好于0.6度，從而大幅度降低了實(shí)驗(yàn)中由地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果將中子的自旋-重力耦合強(qiáng)度上限壓縮了17倍，同時(shí)也將上述其它各類基礎(chǔ)物理效應(yīng)的檢驗(yàn)精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖 2 原子器件受多層磁屏蔽保護(hù)，其量子化軸指向由轉(zhuǎn)動(dòng)-傾斜系列平臺(tái)控制。原子器件（放大圖）為充有銣原子蒸氣和兩種氙同位素氣體的氣室，內(nèi)部尺寸為10′8′8毫米。