中國科大中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華研究組和德國亥姆霍茲研究所Dmitry Budker教授合作，利用本團(tuán)隊(duì)近期發(fā)展的量子精密測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對一類超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新相互作用的超靈敏檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)界限比先前的國際最好水平提升至少2個(gè)數(shù)量級。相關(guān)研究成果以“Search for exotic spin-dependent interactions with a spin-based amplifier”為題在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上[Sci. Adv.7, eabi9535 (2021)]。

研究粒子及其相互作用是基礎(chǔ)科學(xué)的核心，而標(biāo)準(zhǔn)模型則是目前公認(rèn)最成功的理論。在其框架內(nèi)，電磁相互作用由光子傳遞，弱相互作用由W及Z玻色子傳遞。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型依舊無法解釋當(dāng)前宇宙天文學(xué)的一些重要觀測事實(shí)，譬如暗物質(zhì)和暗能量。因此物理學(xué)家普遍認(rèn)為存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子，譬如弱相互作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）、軸子（axion）、暗光子（dark photon）等。這些新粒子可以作為傳播子，傳遞標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之間的新相互作用。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Wilczek在1984年提出軸子可以作為傳播子誘導(dǎo)出新的自旋相互作用，并在2004年進(jìn)一步提出自旋體系可以用來搜尋這種新自旋相互作用。隨后，在2006年物理學(xué)家Dobrescu 和 Mocioiu 考慮傳播子為一般玻色子的情形，引入15種新奇自旋相互作用，這為新粒子及其新相互作用的實(shí)驗(yàn)搜尋提供了更廣闊的研究思路。一旦這些新粒子及新相互作用被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，必將是諾貝爾獎(jiǎng)級別的工作。但因新自旋相互作用的效應(yīng)十分微弱，目前實(shí)驗(yàn)搜尋極具挑戰(zhàn)性，亟需探索新方法來提升實(shí)驗(yàn)靈敏度。

圖1.檢驗(yàn)新相互作用的實(shí)驗(yàn)裝置和相應(yīng)的磁探測靈敏度

針對以上難題，彭新華研究組利用近期發(fā)展的量子自旋放大器技術(shù)[Nat. Phys. 2021]，實(shí)現(xiàn)了對待測磁信號2個(gè)數(shù)量級的放大（如圖1所示），并進(jìn)一步用于一類速度依賴的新相互作用的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。物理學(xué)家Dobrescu等人預(yù)測，存在一種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的自旋為1的Z’玻色子，在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量源與核自旋之間傳遞新相互作用，其作用強(qiáng)度正比于質(zhì)量源的相對速度及質(zhì)量大小。因此，本研究采用一塊高密度BGO晶體，并將其高速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而誘導(dǎo)出BGO晶體和自旋放大器中氙核自旋的相互作用。更近一步研究發(fā)現(xiàn)，這種新相互作用等效于在原子核上產(chǎn)生一個(gè)交流震蕩磁場，因此可以將新相互作用的測量轉(zhuǎn)化為磁場測量。量子自旋放大器技術(shù)能夠以超低噪聲水平放大待測磁場，因此可以大大提高新相互作用的搜尋靈敏度。針對可能的技術(shù)噪聲的干擾，研究人員巧妙地利用新相互作用速度依賴的特性，對震動(dòng)和經(jīng)典磁場等干擾信號進(jìn)行的有效排除。本工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在搜尋范圍未發(fā)現(xiàn)新粒子存在的證據(jù)，并由此給出一類新波色子與原子核耦合界限，其優(yōu)于以前國際最佳界限至少2個(gè)數(shù)量級[如圖2(a)和(b)所示]。

圖2.新奇相互作用實(shí)驗(yàn)界限（a）提升至少4個(gè)數(shù)量級。（b）提升至少2個(gè)數(shù)量級。