實驗發(fā)現(xiàn)中子在自旋朝上與朝下之間的重量差別小于十萬億億分之二

本報訊　5月15日，中國科大盛東教授與盧征天教授的聯(lián)合課題組利用高精度氙同位素共磁力儀尋找中子自旋與萬有引力的耦合效應(yīng)，實驗發(fā)現(xiàn)中子在自旋朝上與朝下之間的重量差別小于十萬億億分之二（<2×10-21），結(jié)果將該效應(yīng)的耦合強度設(shè)定了新的上限。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論快報》。>

自然界有四種基本物理相互作用力，它們當(dāng)中唯有引力還未在實驗上發(fā)現(xiàn)與粒子自旋相關(guān)。假如自旋與引力耦合，那么處于不同自旋態(tài)的粒子在地球重力場中就會有極其微小的能量和受力差別。自上世紀70年代以來，研究人員發(fā)展出了多種經(jīng)典或者量子測量方法來尋找自旋與重力的耦合現(xiàn)象，不斷提高測量精度。同時，這類實驗還檢驗引力作用中的基本時空對稱性，尋找傳播單極-偶極相互作用的類軸子粒子?！?/p>

課題組利用自主開發(fā)的原子器件和光譜測量技術(shù)，以及為抑制共磁力儀系統(tǒng)誤差發(fā)展的精密測量手段，研制成兼顧高穩(wěn)定性和高靈敏度的129Xe-131Xe-Rb共磁力儀。課題組將該共磁力儀作為一個量子羅盤來使用，通過對原子進動的測量，將系統(tǒng)的量子化軸方向?qū)实厍蜃赞D(zhuǎn)軸，重合程度好于0.6度，從而大幅度降低了實驗中由地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。實驗結(jié)果將中子的自旋-重力耦合強度上限壓縮了17倍，同時也將上述其它各類基礎(chǔ)物理效應(yīng)的檢驗精度提高了一個數(shù)量級。

物理學(xué)院博士生張少博為論文第一作者，盛東教授和盧征天教授是共同通訊作者。

（工程科學(xué)學(xué)院　物理學(xué)院　微尺度國家研究中心）