来源：南京大学物理学院
近日，南京大学物理学院黄璞研究团队与南京大学天文学院何建华研究团队、中国科学技术大学杜江峰研究团队合作，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一种重要的暗能量理论——变色龙理论进行了里程碑式的实验检验。该研究将实验探测精度相比目前已知的国际最好水平提升了两个数量级，实验中未发现该理论预言的“第五种力”，从而排除了其基础形式作为暗能量模型的可能。这是所有暗能量理论中的首个确定性的实验检验。相关研究成果以“Experiments with levitated force sensor challenge theories of dark energy”为题，于8月25日线上发表于《Nature Physics》。
暗能量是当今物理学所面临的最大难题之一, 在Science杂志发布的125个最具挑战性的科学问题中，“宇宙由什么构成”排在第一个。宇宙学和天文学的一些重要观测事实表明，我们的宇宙正处于加速膨胀中，而暗能量被认为是驱动膨胀的原因，且认为其占据了可观测宇宙总能量的70%。然而，对于暗能量的本质为何，它如何与其他物质相互作用，人们仍旧所知甚少。其中一个主流暗能量理论为变色龙理论，该理论认为暗能量可能是一种超轻标量场，它弥散在宇宙中并可以与重子物质相作用，从而产生在已知四种基本相互作用之外的“第五种力”。
目前，国际上已布局了多种实验研究计划来探索神秘的暗能量场。传统的手段主要是借助天文观测或大型物理装置，如太空望远镜、地下实验室中的大型高能粒子加速器等。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，如冷原子干涉仪、经典扭摆。从2018年至今，黄璞团队致力于磁悬浮系统的弱力信号精密测量实验研究与技术探索，在国际上最早发展了基于抗磁悬浮的弱力探测实验方法[Physical Review Applied 12, 044017 (2019)]，最近已取得一系列关键技术进展，[Phys. Rev. Research, 2(1), 013057 (2020)], [Phys. Rev. Applied, 16(1), L011003 (2021)], [Phys. Rev. Applied, 15(2), 024061 (2021)], [Phys. Rev. Research 3(1), 013205 (2021)]。
图1: 基于抗磁悬浮振子的“第五种力”探测实验系统。
该研究中，研究团队针对变色龙理论进行实验检验，利用抗磁悬浮力学系统作为力探测器，经过第一性原理设计，巧妙的构建了亚毫米尺度的具有超高灵敏度的“桌面式”力探测平台，对变色龙理论所预言的“第五种力”进行实验检测。实验的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的差异。首先研究团队对变色龙场做了精细的数值模拟，并基于此优化悬浮力探测器和质量源的几何形状（图1），最大化“第五种力”的作用强度使其远大于牛顿引力；并且，在实验中让“第五种力”对振子的驱动有超长相干时间以提高力探测精度。以上技术极大提高了“第五种力”探测效率，同时更高效地排除了其他干扰因素，如来自背景磁场的力。实验结果显示，并未检测到变色龙场所预言的“第五种力”。结合先前其他实验，该研究最终完成了基础变色龙理论的全参数空间检验，确定性地排除了变色龙理论基础形式（图2）。
图2: 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。
该研究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。此项研究中使用的抗磁悬浮系统是最近几年发展起来的超高灵敏力学传感器,它为更广泛的基础物理实验研究提供了一个新的精密测量实验平台。
南大物理学院博士后印沛然，中科大博士研究生李睿和南大天文学院硕士研究生殷承江为该文的共同第一作者，南大物理学院黄璞教授，天文学院何建华副教授和中科大杜江峰院士为该论文共同通讯作者，南大物理学院为第一通讯单位。南大物理学院吴镝教授对实验样品磁性测量提供了帮助，中科大荣星教授为该研究提供了有益的建议，该研究得到了科技部、国家自然科学基金委，中科院等的资助，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。
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