文章来源： 南京大学物理学院
近日，南京大学物理学院研究团队与南京大学天文学院研究团队、中国科学技术大学研究团队、浙江大学研究团队合作，在暗能量探测领域取得重要进展。研究团队构建了磁悬浮精密力测量系统，对对称场暗能量理论进行了高精度实验检测。相关实验精度将目前国际最好水平提升了六个数量级，覆盖了大量之前的实验系统未能检测的空白参数空间。相关研究成果以“Experimental constraints on symmetron field with magnetically levitated force sensor”为题，于1月20日线上发表于Nature Astronomy期刊，并入选为期刊亮点文章在Research Briefing栏目进行了专题报道。
当前的天文学观测表明，我们的宇宙正处于加速膨胀中。暗能量被认为是驱动宇宙膨胀的主要原因，并占据可观测宇宙总能量的70%。但是，作为宇宙中最神秘的存在之一，暗能量的本质是什么，它以何种方式与普通物质世界发生作用，目前仍然未知。对称场理论（Symmetron）能够很好地融入包含低能标量场的大一统理论框架中，是国际上公认的暗能量理论的重要候选者之一。除了已知的四种基本相互作用之外，该理论预言了一种“第五种力”，作用于普通物质。然而，依赖于自发对称性破缺——粒子物理标准模型和凝聚态物理中的一个基石性基本原理，对称场暗能量场可以在高密度环境中有效地隐藏自己，避免被检测到。
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Ⅰa型超新星，宇宙微波背景辐射，重子声波振荡等。近年来，随着实验技术的进步，利用地面精密实验搜寻暗能量逐渐成为一条崭新路径。目前，国际上检验对称场理论的地面实验手段主要有经典扭摆、中子重力振荡、冷原子干涉仪等。该理论的屏蔽机制使得，在高密度实验室环境中，暗能量第五种力变得非常微弱，这给实验检测带来了巨大挑战。目前，仍有大量空白参数空间未能得到实验检验。特别是在亚毫米距离尺度，尚未有实验系统能够对该理论进行高精度检验。
图1:基于磁悬浮力学振子构建的第五种力精密测量系统（左）与力测量实验结果（右）。
针对这些挑战，科研团队利用磁悬浮力学振子——这一近年来新兴的精密力测量系统，精巧地构建了一个第五种力精密测量平台（如图1左）。从2018年至今，南京大学研究团队聚焦于磁悬浮振子系统发展了大量精密测量技术，实现了国际领先的加速度探测精度。该研究中，利用磁悬浮力传感器来探测旋转质量源预期产生的周期性第五种力信号。针对对称场模型，研究团队在大规模数值计算的基础上，对力探测器和信号源的几何结构进行了最优化设计，以最大化第五种力的探测效率；并设计了电磁力屏蔽系统、温度稳定系统、振动隔离系统等，以充分抑制环境噪声、电磁力噪声等对预期目标信号的干扰，实现了信号的长时间连续累积。最终，研究团队在亚毫米尺度上实现了迄今为止最高的力测量精度，给出第五种力的上限为0.3 fN（如图1右）。该研究成功地在三维参数空间中将对称场理论的参数限制提升了6个数量级以上，覆盖了大量之前的实验系统未能检测的空白参数空间（如图2）。
图2:本研究中暗能量检测结果：对称场暗能量场与普通物质的耦合界限，
该研究展现了当前实验室精密力测量实验技术的进展，表明磁悬浮力学系统在检验超出标准模型的新相互作用方面具有巨大潜力。审稿人对该工作给予了高度评价：“The new bounds in the case of
物理学院特任副研究员印沛然，天文学院硕士研究生徐翔宇和物理学院硕士研究生田柯楠为该文的共同第一作者，中国科学技术大学林劭春副研究员，物理学院黄璞教授，天文学院何建华教授和浙江大学杜江峰院士为该论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、江苏省科技厅等的资助，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、南京大学高性能计算中心等的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02465-8
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