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      南京大學合作團隊在宇宙暗能量研究取得重要進展

      近日,南京大學物理學院研究團隊與南京大學天文學院研究團隊、中國科學技術大學研究團隊合作,在暗能量探測領域取得重要進展。研究團隊利用基于懸浮力探測器的精密測量技術在實驗室環境中對主流暗能量理論——變色龍理論進行了里程碑式的實驗檢測。相關實驗精度比目前已知國際最好水平提升了兩個數量級,對變色龍暗能量理論的基礎形式做出了終極確定性的排除

      暗能量是當今物理學所面臨的最大難題之一,也是宇宙中最神秘的存在之一。它推動了宇宙加速膨脹并占據了可觀測宇宙總能量的70%。但時至今日,人們對于暗能量的本質是什么,仍未有定論。目前主流暗能量模型之一——變色龍場理論認為,暗能量可能是一種超輕的標量場,它彌散在宇宙中并可以與重子物質相作用,從而產生第五種力。同時它還具有自屏蔽機制,使得在高密度環境中該第五種力力程短,屏蔽強,因而很難在實驗室環境中被探測到。

      圖1. 實驗中的暗能量想象圖。

      長久以來,科學家對于暗能量的認知和研究主要基于天文觀測,如宇宙微波背景輻射,Ia型超新星,重子聲波振蕩等。近年來,隨著實驗技術的進步,利用地面精密實驗對暗能量加以檢測逐漸成為可能。盡管受到屏蔽機制的影響,在其力程范圍內仍然留有可觀測效應。目前已有很多對暗能量的實驗探測,如經典扭擺實驗能在厘米尺寸范圍對物體間作用力做出及其精確的測量,但在變色龍理論參數空間的短力程區域,其受到自屏蔽機制的很大限制。另一些基于冷原子干涉儀的實驗,利用原子作為探針很好地避免了自屏蔽效應,但由于相干測量時間的限制,探測精度仍有待提升。目前,對于基礎變色龍暗能量理論的檢驗,已實現了很大部分參數空間的排除,但仍留下了最后一個跨越了兩個量級的參數間隙。

      為了填補上參數空間的最后一個間隙,該團隊采用了一個基于抗磁懸浮振子的精密測量系統。與一般的固態機械振子不同,懸浮振子是被電磁作用力束縛在真空環境中。由于沒有與外界的直接接觸,這類振子原則上沒有機械摩擦帶來的耗散,這使得它具有極高的力與加速度探測靈敏度。研究團隊是國際上最早發展了基于抗磁懸浮的弱力探測實驗方法的研究組之一,經過多年努力,最近已取得一系列關鍵技術進展,成果包括:[Physical Review Applied 12, 044017 (2019)], [Phys. Rev. Research, 2(1), 013057 (2020)], [Phys. Rev. Applied, 16(1), L011003 (2021)], [Phys. Rev. Applied, 15(2), 024061 (2021)], [Phys. Rev. Research3(1), 013205 (2021)],這些技術積累為本研究的順利實現提供了關鍵的技術基礎。

      在該研究的實驗設計中,基本策略是測量質量源與力探測器之間的相互作用,并檢驗其與牛頓引力之間是否有差異。然而在實際實驗中,許多其他因素,如來自背景磁場的力,會混入測量的總信號中。因而該研究實際選擇了一種更能排除其他干擾因素的探測思路——探測零信號。在大量理論模擬的基礎上,該研究通過優化懸浮力探測器和質量源的幾何形狀(圖2),最大化變色龍理論所預言的第五種力,使其遠大于牛頓引力。因此,若存在這樣的第五種力,它便會驅動懸浮振子共振從而產生可觀測信號;而若不存在這樣的第五種力,實驗結果將是零信號。


      圖2. 探測第五種力實驗裝置示意圖。

      在對實驗系統的數值模擬中,該實驗探測系統具有非對稱結構和復雜的部件組合與密度分布,因而無法使用簡單近似和經驗公式。為了解決這一問題,研究者開發了一套基于有限元法的數值算法,利用自適應網格加密和多重網格技術,該算法可以在具有復雜邊界和內部結構的計算域中穩定地求解非線性方程。利用算法的高度可并行性,該研究模擬了整個儀器結構。并且還據此遍歷了可行的實驗儀器構型,針對變色龍場的特性最優化探測性能。

      基于抗磁懸浮力探測系統,并配合精巧的實驗設計,最終該研究填補上了基礎變色龍理論的最后一個參數間隙,并確定性地排除了其基礎形式作為暗能量候選者的可能(圖3)。更重要地,這再一次有力證明了地面試驗對于檢驗暗能量理論的可靠性,極大地增強了人們對于暗能量研究的信心。隨著精密實驗檢驗和天文學觀測的聯合發展,我們相信,未來人們終將揭下暗能量的神秘面紗。

      圖3. 該研究中暗能量探測的實驗結果:基礎變色龍場與普通物質的耦合界限(左),基礎變色龍場與光子的耦合界限(右)。各染色區域代表被實驗檢驗并被排除的參數區間,紅色區域代表本研究結果。與之前報道的實驗一起,完全排除了基礎變色龍暗能量模型。

      相關研究成果以Experiments with levitated force sensor challenge theories of dark energy為題,已于8月25日線上發表于《Nature Physics》。南京大學物理學院博士后印沛然,中國科學技術大學科大博士研究生李睿和南京大學天文學院碩士研究生殷承江為該文的共同第一作者,南京大學物理學院黃璞教授,天文學院何建華副教授和中國科學技術大學杜江峰院士為該論文共同通訊作者。南京大學吳鏑教授對實驗樣品測量提供了幫助,中國科學技術大學榮星教授為該研究提供了有益的建議,該研究得到了中科院、科技部、國家自然科學基金委等的資助,同時得到了固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心、南京大學高性能計算中心等的支持。

      文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41567-022-01706-9

      DOI:  10.1038/s41567-022-01706-9


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