中国科大完成首个确定性的暗能量理论实验检验

中国科大完成首个确定性的暗能量理论实验检验        
   

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士团队与南京大学组成的联合研究组在暗能量探测领域取得重大进展，利用抗磁悬浮力学系统在实验室环境中对一种重要的暗能量理论——变色龙理论进行了实验检验，未发现该理论预言的“第五种力”，从而排除了其作为暗能量的可能。这是所有暗能量理论中的首个确定性的实验检验。相关研究成果以“Experiments with levitated force sensor challenge theories of dark energy”为题，于8月25日线上发表于国际学术期刊《Nature Physics》。

Science杂志发布的125个最具挑战性的科学问题中，“宇宙由什么构成”排在第一个。宇宙学和天文学的一些观测事实表明，我们的宇宙正处于加速膨胀中，而暗能量被认为是驱动膨胀的原因。但是，对于暗能量的本质是什么，以何种方式与我们的世界发生作用，目前仍然未知。为探索神秘的暗能量场，国际上布局了多种实验研究计划，传统的手段主要是借助天文观测或大型物理装置，如太空望远镜、地下实验室以及大型高能粒子加速器等。中科院微观磁共振重点实验室于近年来创新发展了基于固态自旋、气态原子、微力学系统等能够在实验室尺度（Lab scale）开展探索的实验体系和技术，为拓展人类对宇宙的认识提供了新途径，已完成一系列重要的实验研究[Nat. Commun. 9, 739 (2018); PRL 121, 080402 (2018); PRL 127, 010501 (2021); Nat. Phys. 17, 1402 (2021); Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021); PRL 129, 051801 (2022)]。

此项研究针对一种重要的暗能量理论——变色龙理论开展实验检验。变色龙理论是用来解释宇宙加速膨胀的一种理论模型，该理论的最大特征之一是预言了已知四种基本相互作用外的“第五种力”，在形式上可以写为万有引力作用的微小偏离，这为实验研究提供了可能。本工作研究人员利用抗磁悬浮力学系统作为力探测器，精巧构建了亚毫米尺度的具有超高灵敏度的“桌面式”力探测平台，对变色龙理论所预言的第五种力进行了检测。研究中，对变色龙场做了精细的数值模拟和基于此的第一性原理几何设计，对质量源与力探测器采用了薄膜结构，有效解决了变色龙场在质量源端和力探测器端的双重屏蔽困难（图1左）；并且，实验中产生了超长相干时间的第五种力驱动以提高力探测精度。以上技术极大提升了对第五种力的探测效率，实现了迄今为止对变色龙理论的国际最高检测精度（图1右），将理论预言的变色龙作用力上限限制到6 x 10-17牛。结合先前其他实验，该研究最终完成了基础变色龙理论的全参数空间检验，未发现该理论预言的“第五种力”，从而确定性地排除了这一暗能量理论（见图2）。

图1:抗磁悬浮力学系统实验系统（左）；实验探测给出的变色龙第五种力上限（右）

图2:该研究的暗能量探测结果：基础变色龙场与普通物质的耦合界限（左），不同阶数变色龙场与普通物质耦合界限（中），基础变色龙场与光子的耦合界限（右）。其中染色区域是被实验检验并被排除的区域，当前工作检验的区域为红色，与之前报告的实验一起，完全排除了变色龙模型。

研究中使用的抗磁悬浮力学系统是最近几年发展起来的超高灵敏力学传感器，中国科大中科院微观磁共振重点实验室是国际上最早开展此项前沿技术研究的实验室之一。该室于十年前即布局了微弱力信号精密测量的实验研究方向，杜江峰院士带领其研究生黄璞、印沛然（现分别为南京大学教授、博士后，本文共同通讯作者和共同第一作者）等从无到有搭建了实验平台，成功发展了一系列高精度力信号精密测量实验技术[PRL 110, 227202 (2013); PRL 117, 017701 (2016); Nat. Commun. 7, 11517 (2016)]，包括率先发展了基于抗磁悬浮力学系统的精密测量技术[Physical Review Applied 12, 044017 (2019)]。上述工作为本文的研究工作奠定了核心实验基础。

审稿人高度评价该工作：“In my opinion this is a very important result……this represents a significant step forward in this field”（在我看来这是一个非常重要的成果……代表了该领域的一个重大进展）。这一工作充分展示了精密力探测与宇宙学研究的交叉融合，有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学领域的广泛兴趣。

中科院微观磁共振重点实验室博士研究生李睿与南京大学博士后印沛然、硕士研究生殷承江为该文共同第一作者，杜江峰院士与南京大学黄璞教授、何建华副教授为该文共同通讯作者。该研究得到了中科院、科技部、国家自然科学基金委、安徽省和合肥市的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01706-9

这一工作充分展示了精密力探测与宇宙学研究的交叉融合，有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学领域的广泛兴趣。