|
|
| 绵阳中子极化团队在标准模型之外新物理探测领域取得进展 |
|
近日，中国工程物理研究院核物理与化学研究所中子极化团队使用基于极化碱金属Rb的量子磁强计阵列，通过精巧的实验设计以及有效的噪声抑制，对标准模型外新相互作用所致异常磁场的测量达到~30aT（3×10-17T）的精度。相比此前对力程范围为~10m的新相互作用的探测结果，该团队对标准模型外VA（矢量-轴矢）型相互作用的测量在精度上提高了~20000倍，而对AA（轴矢-轴矢）型相互作用则提高了~140倍。相关研究成果于7月29日在线发表于期刊Physical Review Letters。
绵阳中子极化团队长期致力于使用极化中子、极化3He等极化自旋，对类轴子粒子传播的自旋相关的新相互作用进行探测。轴子（Axion）起源于1977年R. Peccei与H. Quinn提出的一个用于解决强相互作用中CP守恒问题的新理论（后被称为PQ机制或者PQ理论）。该理论的核心是引入一个新的U(1)整体对称性并令其自发破缺。随后S. Weinberg和F. Wilczek等人几乎同时注意到该理论将导致一种新的轻质量玻色子的产生，Wilczek将其命名为轴子。PQ理论和轴子被提出后，当即成为量子色动力学强CP问题最优雅的解决方案。包括Wilczek在内的一些理论家都认为轴子将很快被探测到。然而四十多年过去了，人类仍然没有发现轴子。该粒子的极难探测，让人类将其与基本物理学的另一个未解之谜—暗物质联系到一起。与轴子性质类似的标准模型之外的粒子被称为类轴子粒子（Axion Like Particles），是冷暗物质的候选者之一。
由此，类轴子粒子的探测与粒子物理、天体物理以及基本物理学中最重要的问题交织在一起。如存在，一切迹象表明类轴子粒子与普通物质粒子只有极弱的耦合。它们与普通粒子显著不同的特性是可以传播自旋相关的新相互作用。类轴子粒子质量很轻—德布罗意波长很长，因此一种探测方式是测量普通物质所产生的类轴子玻色场对极化自旋的效应。
中子极化团队使用基于极化碱金属Rb的量子磁强计阵列，经过~10天数据积分平均后，获得了对异常磁场测量精度达~30aT（3×10-17T）的结果。基于该测量精度，团队对标准模型外核子与极化电子耦合的矢量-轴矢（VA）及轴矢-轴矢（AA）型两种相互作用进行了探测，并获得了全新的实验上限。此前，这两种相互作用的最高探测精度由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究组在论文[PRL 121,091802(2018)]和[Nat. Commun.10.2215(2019)]中给出。
图1：VA型相互作用探测精度比此前结果提高约20000倍。
极化碱金属原子、极化惰性气体原子核技术不仅可实现中子极化和极化分析（目前中子散射应用中最先进和主流的选择），还是量子陀螺仪、极弱磁场测量等量子精密测量技术的基础。这类精密测量方法和技术不仅在国防和民用领域有广泛用途，也是人类探索终极真理的基础物理手段。1900 年开尔文勋爵（Lord Kelvin）在相对论和量子力学诞生之前的一次著名演讲中说过：“现在的物理学已经没有新东西了，所有剩下的不过是越来越精密的测量而已。（There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.）”无论国防、民用或是对真理的探索，长期以来，物理科研人员本能的追求最高测量精度。
图2：开尔文勋爵。
能够通过精巧的实验设计和完善的噪声消除技术将一个物理量测得更精更准，是每一个实验物理工作者的终极追求和梦想。在该项研究中，中子极化团队应用四个量子磁强计并以阵列方式对异常磁场进行探测，可将统计精度提高2倍；然后以转动方式高速（600RMP）调制两个质量源，这不仅在技术上比平动方式更易实现，且高达20Hz的调制频率大大降低了1/f噪声的干扰—此前实验的调制频率只有~0.3Hz；四个阵列磁强计被精心排布，对新相互作用所致异常磁场的提取为加减平均的方式，实测表明这种方式对共模噪声达到95%的抑制率；通过每660秒翻转质量源的转动方向，并使用[+1,-3,+3,-1]漂移移除算法进一步消除实验系统基线的缓慢漂移和时间域的共模噪声；信号提取除了摒弃直流避免1/f噪声外，还对基频和三个倍频信号采用了加权平均的方式达到对信噪比的进一步提高；数据处理方式全程采用高精度数值积分，从而有效避免了高频噪声的干扰。尽管在一些关键器件和材料上与国际同行相比还有所差距，但中子极化团队通过更巧妙的实验设计最终在测量精度上实现了数量级上的提高。
图3：中国工程物理研究院核物理与化学研究所团队实验装置示意图。
该论文的第一作者为吴柯岩博士，通讯作者为中子极化创新团队负责人闫海洋研究员。该研究受到国家自然科学基金（U2030209）、科技部重点研发计划（2020YFA406001和2020YFA0406002）的支持。（来源：科学网 作者：薛艳梅）
相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.051802
