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澳门皇冠线上网址合作团队在宇宙暗能量研究取得重要进展

时间:2022-08-26浏览:512

近日,澳门皇冠线上网址物理学院研究团队与澳门皇冠线上网址天文学院研究团队、中国科学技术大学研究团队合作,在暗能量探测领域取得重要进展。研究团队利用基于悬浮力探测器的精密测量技术在实验室环境中对主流暗能量理论——变色龙理论进行了里程碑式的实验检测。相关实验精度比目前已知国际最好水平提升了两个数量级,对变色龙暗能量理论的基础形式做出了终极确定性的排除

暗能量是当今物理学所面临的最大难题之一,也是宇宙中最神秘的存在之一。它推动了宇宙加速膨胀并占据了可观测宇宙总能量的70%。但时至今日,人们对于暗能量的本质是什么,仍未有定论。目前主流暗能量模型之一——变色龙场理论认为,暗能量可能是一种超轻的标量场,它弥散在宇宙中并可以与重子物质相作用,从而产生"第五种力"。同时它还具有自屏蔽机制,使得在高密度环境中该"第五种力"力程短,屏蔽强,因而很难在实验室环境中被探测到。

图1. 实验中的暗能量想象图。

长久以来,科学家对于暗能量的认知和研究主要基于天文观测,如宇宙微波背景辐射,Ia型超新星,重子声波振荡等。近年来,随着实验技术的进步,利用地面精密实验对暗能量加以检测逐渐成为可能。尽管受到屏蔽机制的影响,在其力程范围内仍然留有可观测效应。目前已有很多对暗能量的实验探测,如经典扭摆实验能在厘米尺寸范围对物体间作用力做出及其精确的测量,但在变色龙理论参数空间的短力程区域,其受到自屏蔽机制的很大限制。另一些基于冷原子干涉仪的实验,利用原子作为探针很好地避免了自屏蔽效应,但由于相干测量时间的限制,探测精度仍有待提升。目前,对于基础变色龙暗能量理论的检验,已实现了很大部分参数空间的排除,但仍留下了最后一个跨越了两个量级的参数间隙。

为了填补上参数空间的最后一个间隙,该团队采用了一个基于抗磁悬浮振子的精密测量系统。与一般的固态机械振子不同,悬浮振子是被电磁作用力束缚在真空环境中。由于没有与外界的直接接触,这类振子原则上没有机械摩擦带来的耗散,这使得它具有极高的力与加速度探测灵敏度。研究团队是国际上最早发展了基于抗磁悬浮的弱力探测实验方法的研究组之一,经过多年努力,最近已取得一系列关键技术进展,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)],这些技术积累为本研究的顺利实现提供了关键的技术基础。

在该研究的实验设计中,基本策略是测量质量源与力探测器之间的相互作用,并检验其与牛顿引力之间是否有差异。然而在实际实验中,许多其他因素,如来自背景磁场的力,会混入测量的总信号中。因而该研究实际选择了一种更能排除其他干扰因素的探测思路——探测零信号。在大量理论模拟的基础上,该研究通过优化悬浮力探测器和质量源的几何形状(图2),最大化变色龙理论所预言的"第五种力",使其远大于牛顿引力。因此,若存在这样的"第五种力",它便会驱动悬浮振子共振从而产生可观测信号;而若不存在这样的"第五种力",实验结果将是零信号。


图2. 探测"第五种力"实验装置示意图。

在对实验系统的数值模拟中,该实验探测系统具有非对称结构和复杂的部件组合与密度分布,因而无法使用简单近似和经验公式。为了解决这一问题,研究者开发了一套基于有限元法的数值算法,利用自适应网格加密和多重网格技术,该算法可以在具有复杂边界和内部结构的计算域中稳定地求解非线性方程。利用算法的高度可并行性,该研究模拟了整个仪器结构。并且还据此遍历了可行的实验仪器构型,针对变色龙场的特性最优化探测性能。

基于抗磁悬浮力探测系统,并配合精巧的实验设计,最终该研究填补上了基础变色龙理论的最后一个参数间隙,并确定性地排除了其基础形式作为暗能量候选者的可能(图3)。更重要地,这再一次有力证明了地面试验对于检验暗能量理论的可靠性,极大地增强了人们对于暗能量研究的信心。随着精密实验检验和天文学观测的联合发展,我们相信,未来人们终将揭下暗能量的神秘面纱。

图3. 该研究中暗能量探测的实验结果:基础变色龙场与普通物质的耦合界限(左),基础变色龙场与光子的耦合界限(右)。各染色区域代表被实验检验并被排除的参数区间,红色区域代表本研究结果。与之前报道的实验一起,完全排除了基础变色龙暗能量模型。

相关研究成果以"Experiments with levitated force sensor challenge theories of dark energy"为题,已于8月25日线上发表于《Nature Physics》。澳门皇冠线上网址物理学院博士后印沛然,中国科学技术大学科大博士研究生李睿和澳门皇冠线上网址天文学院硕士研究生殷承江为该文的共同第一作者,澳门皇冠线上网址物理学院黄璞教授,天文学院何建华副教授和中国科学技术大学杜江峰院士为该论文共同通讯作者。澳门皇冠线上网址吴镝教授对实验样品测量提供了帮助,中国科学技术大学荣星教授为该研究提供了有益的建议,该研究得到了中科院、科技部、国家自然科学基金委等的资助,同时得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、澳门皇冠线上网址高性能计算中心等的支持。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41567-022-01706-9

DOI:  10.1038/s41567-022-01706-9

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