中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華教授、江敏副研究員等在量子精密測量和檢驗超越標準模型領域取得重要進展，利用自主研制的量子自旋放大技術實現(xiàn)了對一類超越標準模型的宇稱破缺相互作用的超靈敏檢驗，實驗結(jié)果提升國際紀錄至少5個數(shù)量級，彌補了現(xiàn)有天文學觀測的空白。
相關研究成果于1月6日以“Search for exotic parity-violation interactions with quantum spin amplifiers”為題在線發(fā)表于國際學術期刊《Science Advances》上[Sci. Adv. 9, eade0353 (2023)]。
粒子物理標準模型是20世紀物理學建立的最偉大的模型之一。然而，盡管標準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)不對稱性等無法被很好解釋。為此，許多理論預言了可能存在超越標準模型的新輕玻色子，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，補充現(xiàn)有的標準模型理論。這些新粒子的能量可能跨度幾十個量級的范圍。對于低能區(qū)的新粒子 (遠小于1eV)，更加凸顯出粒子的波動性，它們的德布羅意波長甚至要比現(xiàn)在的大型對撞機還要大，因此不適于使用粒子對撞器與加速器等高能裝置進行研究。量子傳感器如原子磁力儀、原子鐘彌補了高能裝置對這類超輕暗物質(zhì)候選粒子的探測空白，但因這些新粒子與標準模型內(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標準模型外的新物理進行研究。
圖1 檢驗新相互作用的實驗裝置和相應的磁探測靈敏度。
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(圖1A)[Nat. Phys. 17, 1402–1407 (2021)]，實現(xiàn)了對待測磁信號2個數(shù)量級的放大(圖1B)，并將其應用于超越標準模型的新粒子與新相互作用的搜尋，在國際上提出了“藍寶石”研究計劃，英文縮寫SAHPPHIRE(SpinAmplifier for Particle PHysIcs REsearch)。該計劃的首批實驗約束了一種由Z玻色子誘導的自旋相互作用，如圖1C所示，此類奇異相互作用是宇稱不守恒的，其強度正比于自旋源內(nèi)的電子自旋數(shù)量。因此本實驗采用了兩個原子氣體室，一個利用惰性氣體氙原子作為自旋傳感器，一個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)生一個交流的震蕩奇異場作用于量子自旋傳感器上，并被進一步放大和探測。
相較于其他應用于新物理搜尋的共振技術，量子自旋放大器中的銣原子充當嵌入式磁強計，實現(xiàn)了惰性氣體氙原子的連續(xù)極化和原位測量。相比之下，原位測量提供的一個顯著優(yōu)勢是由于大費米接觸放大因子而增強核共振信號。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，自旋放大器可實現(xiàn)對奇異場的連續(xù)搜索。由于這些獨特的優(yōu)點，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。正因如此，本實驗對電子與中子之間的宇稱破缺奇異相互作用的約束較國際前沿實驗界限提高了5個數(shù)量級(如圖2A)，且對中子與質(zhì)子之間的奇異相互作用進行了首次探索(如圖2B)。不僅如此，SAPPHIRE計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，有望將對此類奇異相互作用的實驗約束界限進一步提升8個量級。
圖2 新奇相互作用實驗界限。
審稿人對這一工作有高度評價：“The result is a clearly a major improvement for the field”（該領域的一個重大提升），“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 ”（該實驗最引人注目的是在一個幾乎沒有天體物理學約束的參數(shù)空間區(qū)域建立了強有力的新約束，將先前的約束提高了多個數(shù)量級）。這一成果展示了SAPPHIRE計劃下量子精密測量技術與粒子物理學研究的有機結(jié)合，有望激發(fā)宇宙天文學、粒子物理學和原子分子物理學等多個基礎科學的廣泛興趣。
中國科學院微觀磁共振重點實驗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、國家自然科學基金委和安徽省的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade0353
