暗能量理论的首次确定性实验检验 | 应用物理前沿推介系列No.4
前言
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
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本期推介
暗能量理论的首次确定性实验检验
早在1929年，哈勃便通过天文观测发现宇宙正处于动态膨胀中。1998年，天文学家通过Ⅰa型超新星观测发现，我们的宇宙正处于加速膨胀中[1]。（宇宙学标准模型中，爱因斯坦场方程的宇宙学常数项可用来描述这一动态宇宙模型。）目前，暗能量被认为是驱动宇宙膨胀的原因，并占据可观测宇宙总能量的70%。但是作为宇宙中最神秘的存在之一，暗能量的本质是什么，它以何种方式与普通物质世界发生作用，这些基本问题仍然未有明确解答。因此在Science杂志发布的125个最具挑战性的科学问题中排在第一个的问题便是“宇宙由什么构成？”目前已经提出了很多暗能量理论，其中最主流模型是变色龙理论[2]。该理论认为暗能量是一种超轻标量场，它弥散在宇宙中并可以与重子物质相作用，从而产生已知四种基本相互作用之外的“第五种力”。然而如何通过高精密实验来检验这些暗能量理论正确与否，成为了当前相关基础研究领域的一个重大难题。
为探索神秘的暗能量场，国际上布局了多种实验研究计划。传统手段主要借助天文观测，如宇宙微波背景辐射、Ⅰa型超新星以及重子声波振荡等，但一般有着较大的系统误差，无法给出确定的检验结果。近年来随着精密测量技术的飞速发展，地面精密物理实验逐渐成为研究暗能量模型的新途径，如精密扭摆实验、中子重力共振、中子干涉、冷原子干涉，以及大型粒子加速器等。目前，针对基础变色龙暗能量理论，国内外已经在大部分参数空间开展了实验检验。其中主要实验检验结果来自美国华盛顿大学的Eot-Wash扭摆实验[3]和加州大学伯克利分校的冷原子干涉实验[4]。国内有华中科技大学开展了基于扭摆的暗能量实验探测[5]，该方法与华盛顿大学扭摆原理相同。
尽管现有的实验已经完成了变色龙理论的大部分参数空间的检验，但是还存在一个参数空间（Mβ≈10-3 MPl到Mβ≈10-1 MPl ）还没任何实验系统能够进行实验检验。要确定性检验变色龙理论的基础模型正确与否，就必须在这个参数窗口开展实验检测。但变色龙屏蔽效应使得暗能量场所产生的“第五种力”非常微弱，对这个遗留的参数空间进行检验成为了实验难题，同样对实验探测技术也提出了巨大挑战。在“第五种力”实验中，质量源和力探测器两端都会有不同程度的屏蔽效应。精密扭摆实验[3]能在厘米尺寸范围对物体间作用力做出极其精确的测量，但在变色龙理论的短力程参数空间，其探测效果受到双重自屏蔽机制的很大限制。基于冷原子干涉仪的实验[4]，利用原子来探测“第五种力”可以很好地避免探测器的自屏蔽效应，但由于相干测量时间的限制，其在长力程参数空间中仍然有很大区域无法检验。在目前已有的实验体系中，想要进一步提升探测精度来实现对基础变色龙暗能量理论的全空间检测是非常困难的。因此，需要创新性地发展新技术、新实验平台，才能对该重要基础问题做出突破性进展。
针对上述困难，中国科学技术大学杜江峰课题组与南京大学黄璞课题组提出了磁悬浮振子的力探测系统 [6]。与一般的固态机械振子不同，悬浮振子被电磁作用力束缚在真空环境中，没有与外界直接接触，因此没有机械摩擦带来的耗散。该方法用于微弱力测量的设想最早由诺贝尔奖得主A.Geim提出，但是受限于材料制备技术，早期并未显示出技术指标上的优势，直到最近研究人员在材料与磁势阱结构的技术突破，才让该方法开始显示出其潜力。近期，中国科学技术大学与南京大学的合作团队，利用悬浮振子力探测系统在变色龙暗能量理论尚未被实验探索的参数空间成功开展了实验探索，标志着变色龙暗能量理论的基础模型实现了确定性检验[7]。实验结果显示，在该参数区间并未检测到变色龙场所预言的“第五种力”。该研究最终完成了基础变色龙理论的全参数空间检验所需的最后一块关键拼图，结合先前其他实验可以确定性地排除了基础变色龙理论（见下图）。
图1 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。该研究结果结合之前的实验检验，完全排除了基础变色龙暗能量模型。
该研究展现了当前实验室精密测量实验技术的进展，为宇宙学前沿基础问题提供了新的研究方法，并可能带来更多的科学发现与突破。这也有力证明了地面实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。我们相信随着精密实验检验和天文学观测的联合发展，未来暗能量的本质为何终将得到答案。
推介人
荣星 ：中国科学技术大学教授。近年来扎根国内发展磁共振技术与装备，实现了一系列具有国际领先水平的磁共振科学装置，并将其应用到量子信息物理和粒子物理等前沿学科中，取得了一系列成果。
参考文献
[1] Perlmutter, S. et al. Nature 391, 51-54 (1998).
[2] Khoury, J. & Weltman, A. Phys. Rev. D 69, 044026 (2004)
[3] Upadhye, Phys. Rev. D 86, 102003 (2012).
[4] Hamilton, P. et al. Science 349, 849-851 (2015).
[5] Zhao, Y. L. et al. Phys. Rev. D 103, 104005 (2021).
[6] Xiong, F. et al. Phys. Rev. Appl. 16, 011003 (2021).
[7] Yin, P. et al. Nat. Phys. 18, 1181–1185 (2022)
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
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