中國科學技術大學工程科學學院教授盛東與物理學院教授盧征天聯合課題組開發(fā)了高精度的氙同位素共磁力儀，并利用該原子器件探索超越標準模型的新物理，對核子與中子間的單極-偶極相互作用強度在亞毫米尺度上設定了新的上限。6月10日，相關研究成果以Search for Monopole-Dipole Interactions at the Submillimeter Range with a 129Xe-131Xe-Rb Comagnetometer為題，發(fā)表在《物理評論快報》上。
原子共磁力儀是一種既可以用來研究基礎物理又具有實際應用價值的原子器件，它通過同時同地測量兩種原子的自旋進動信號來消除磁場波動和漂移的影響，從而精確測量器件本身的轉動，因而共磁力儀也是一種小型陀螺儀。當轉動信號在實驗中被置零后，該原子器件即可用來探索單極-偶極相互作用。這種奇異相互作用由諾獎得主維爾切克（Franck Wilczek）提出，它可由一種至今尚未被探測到的“軸子”粒子來傳播。
為了實現高精度測量，課題組開發(fā)了自主的原子器件制備技術，并對131Xe的進動頻譜提出了新的理論分析方法【Phys. Rev. A 102, 043109 (2020)】；同時，發(fā)展了極化調制手段來有效抑制極化堿金屬原子對核自旋進動的影響。基于這一系列技術，課題組利用積累了兩個月的測量數據，在0.11-0.55 mm的作用程范圍里（對應的傳播子質量范圍為0.36-1.80 meV/c2）對核子與中子單極-偶極相互作用強度設置了新的測量上限，特別是在作用程0.24 mm附近，本工作的實驗精度比前人結果提高了30倍。
研究工作得到國家自然科學基金和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持。
核子（左）與極化氙原子（右）的單極-偶極相互作用示意圖
來源：中國科學技術大學
