近日,由南京大学、中国科学技术大学、浙江大学研究人员组成的联合团队,在暗能量探测领域取得重要进展。研究团队基于数值模拟,成功设计并搭建了桌面式磁悬浮精密力测量系统。利用这一系统,研究团队对对称场暗能量理论(symmetron dark energy)进行了高精度实验检验。实验精度相较于当前国际最高水平提高了六个数量级,极大地拓展了先前实验未能触及的参数空间。相关研究成果以"Experimental constraints on symmetron field with magnetically levitated force sensor"为题,于2025年1月20日在线发表于《Nature Astronomy》,并同时被该期刊选为亮点文章,在Research Briefing栏目中进行了专题报道。
目前,大量天文学观测表明,我们的宇宙正处于加速膨胀的状态。暗能量被认为是驱动宇宙加速膨胀的主要动力,占据了宇宙中总能量的大约70%。然而,暗能量的本质是什么,以及它以何种方式与我们的世界相互作用,目前仍然未知。对称场暗能量是国际公认的暗能量的主要理论解释之一。除了已知的自然界中的四种基本相互作用之外,该理论预言了一种可以与普通物质发生相互作用的"第五种力"。但奇妙的是,这种"第五种力"可以通过自发对称性破缺机制,在高密度环境中隐藏自己,从而逃脱实验的检测。
长期以来,人们对于暗能量的研究主要依赖天文观测,如Ⅰa型超新星、宇宙微波背景辐射以及星系巡天重子声波振荡等观测数据。近年来,随着地面实验技术的不断进步,精密实验已成为探索暗能量本质的一条重要新兴途径。目前,国际上对称场暗能量理论的实验检验手段主要包括扭摆实验、中子重力振荡实验以及冷原子干涉仪等。然而,尽管这些实验已经对对称场暗能量模型的部分参数空间进行了一定的限制,但由于在高密度实验室环境中,暗能量所预言的第五种力极其微弱,因此仍有大量参数空间尚未得到实验有效检验。特别是在亚毫米距离尺度上,目前还没有实验系统能够对该理论进行高精度验证。
图1. 磁悬浮振子暗能量精密检验系统(左)与第五种力实验上限(右)
针对这些挑战,科研团队利用近年来新兴发展的磁悬浮力学振子精密力测量系统,搭建了一个暗能量精密检验平台(如图1左所示)。针对对称场模型,研究团队通过大规模数值计算,对力探测器和信号源的几何结构进行了优化设计,以最大化第五种力的探测效率。此外,研究团队还设计了电磁力屏蔽系统、温度稳定系统和振动隔离系统,以有效抑制环境噪声和电磁力噪声等对目标信号的干扰,实现了信号的长时间连续稳定累积。最终,研究团队在亚毫米尺度实现了迄今为止最高精度的第五种力测量,将第五种力的上限限定为N(如图1右所示)。这一结果在三维参数空间中,将对称场模型的参数限制提升了6个数量级,覆盖了大量此前实验系统未能触及的参数空间(如图2所示)。
图2.对称场暗能量模型 参数平面(左)和 参数平面(右)。红色区域代表本实验排除的参数区间,其它颜色代表先前实验排除的区间。
《Nature Astronomy》审稿人对该工作给予了高度评价:"The new bounds in the case of meV corresponding to the dark energy scale improve greatly on the previously published ones."(在暗能量2.4 meV能标尺度上,新的实验参数限制相比先前实验结果取得了极大提升)。
南京大学物理学院特任副研究员印沛然,南京大学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,南京大学物理学院黄璞教授,南京大学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、南京大学中央高校基本科研业务费等的资助,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的支持。
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41550-024-02465-8
DOI: 10.1038/s41550-024-02465-8