撰稿|由课题组供稿
近日，清华大学物理系刘永椿课题组及合作者利用量子精密测量技术，在探索超越标准模型的“第五种力”方面取得重要进展，给出了自旋相关奇异力耦合系数新的限制。研究成果以“Constraints on Spin-Spin Velocity-Dependent Interactions”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
物理学标准模型指出，自然界存在引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力这四种基本相互作用力。然而，标准模型并不完美，例如它没有包含暗物质粒子。近几十年来，探索超越标准模型的新物理，包括寻找暗物质粒子，一直是基础物理研究领域的重要问题。在各种实验方案中，利用精密测量技术探测是否存在超越标准模型的新型相互作用力（也被称为“第五种力”）为发现新物理及寻找暗物质粒子提供了重要方法。
可以与微观粒子自旋耦合的奇异力是第五种力的重要候选者。例如，理论物理学家所预言的暗物质可能候选之一轴子（Axion）就是可以传递自旋相关奇异力的粒子。根据理论预言，两个粒子之间的自旋相关奇异力取决于粒子的自旋，同时与粒子的相对位置、速度等因素有关。由于这种相互作用极其微弱，到目前为止，尚无实验证据表明第五种力存在。令人振奋的是，随着精密测量技术的发展，人们可以不断提高测量精度，从而可以更精密地探测这种力的存在性，并且不断降低相应耦合系数的上限。
清华大学物理系刘永椿课题组及合作者提出新的实验设计方案，给出了自旋相关奇异力耦合系数新的限制。该实验使用两组特殊设计的纯铁包被的衫钴磁铁为产生自旋相关奇异力的自旋源，该自旋源有极高的电子自旋密度和极弱的漏磁。自旋相关奇异力的探测可用高灵敏度原子磁力计实现。当自旋源被直流电机驱动旋转起来的时候，假如自旋相关奇异力存在，自旋源与原子磁力计内自旋的耦合可以产生极弱的自旋-自旋-速度相关相互作用，可类似为一种等效磁场。通过设计两组敏感轴反向平行的原子磁力计，可以实现对共模噪声信号的有效差分抑制，同时对自旋相关奇异力的等效磁场保持灵敏性。
图1 自旋相关奇异力测量装置示意图。左边为原子磁力计，右边为自旋源。
利用电机驱动自旋源周期性顺时针和逆时针旋转，从而实现待测信号的有效调制，可避免直流噪声的影响。通过分析多组实验数据的信号，能够有效去除各种噪声来源带来的虚假信号。通过对长时间测量数据的统计分析，目前尚未找到第五种力的信号，但实验结果为电子-质子自旋-速度相关的第五种力的耦合系数给出了新的限制。由于所设计的实验方案具有极高的自旋密度、极高的磁场测量灵敏度和能量分辨率，且能有效抑制共模噪声，在厘米到千米力程尺度上，该实验得到的耦合系数限制比使用其他方法得到的限制提升了十个数量级。随着未来技术的进一步发展，在达到足够高的精度后，有望测量到第五种力的存在。
该工作由清华大学物理系刘永椿课题组联合北京航空航天大学以及德国美因茨大学亥姆霍兹研究所Dmitry Budker课题组合作完成。文章于2023年3 月28日以“Constraints on Spin-Spin Velocity-Dependent Interactions”为题发表在 Physical Review Letters上[Phys. Rev. Lett. 130, 133202 (2023)]。德国美因茨大学博士后季伟（清华大学物理系2019届博士毕业生，2020年8月-2021年3月担任刘永椿组研究助理）为文章第一作者，清华大学物理系刘永椿副教授与北京航空航天大学魏凯副研究员为文章通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心和广东省科技厅的资助。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.133202
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