Поиск спин-зависимых гравитационных взаимодействий на земном расстоянии
Совместная исследовательская группа под руководством профессора Шэн Донга и профессора Лу Чжэнтяня из Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук (CAS) исследовала эффект связи между вращением нейтрона и силой гравитации с помощью высокоточный ксеноновый изотопный магнитометр. Эта работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.
(а) Иллюстрация экспериментальной установки. Комагнетометр смонтирован на системе из горизонтально расположенного поворотного стола (№ 1), наклонного стола и наклонного поворотного стола (№ 2).
(b) Системы координат установки.
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2023 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.201401
Это исследование направлено на выявление силы связи между спином нейтрона и гравитацией путем измерения разницы в весе между состояниями нейтрона со спином вверх и вниз. Экспериментальные результаты показали, что разница в весе между этими двумя состояниями составляет менее двух секстиллионных (<2×10-21), что устанавливает новый верхний предел силы связи этого эффекта.
В статье под названием «Проверка влияния гравитации на квантовые спины», опубликованной в журнале Physics, это исследование точных измерений рассматривается как новое исследование пересечения квантовой теории и гравитации.
В природе существует четыре фундаментальных физических взаимодействия, среди которых только гравитация не была экспериментально связана с собственным спином частицы. Если вращение связано с гравитацией, частицы в разных состояниях вращения будут демонстрировать чрезвычайно небольшие различия в энергии и силе в гравитационном поле Земли.
С 1970-х годов исследователи разрабатывают различные классические или квантовые методы измерения для поиска явления связи между вращением и гравитацией, постоянно повышая точность измерений. Эти эксперименты также исследовали фундаментальную симметрию пространства-времени в гравитационных взаимодействиях и стремились идентифицировать аксионоподобные частицы, которые опосредуют монополь-дипольные взаимодействия.
Группа USTC разработала высокостабильный и чувствительный сомагнитометр 129Xe-131 Xe-Rb, объединив собственные атомные устройства и методы спектроскопических измерений, точные методы измерения, разработанные для подавления систематических ошибок в системах сомагнитометров.
Сомагнитометр используется в качестве квантового компаса, измеряя когерентные эффекты между двумя состояниями квантового спина , направленными вверх и вниз. Квантовая ось системы совпадает с осью вращения Земли (то есть направлением на Полярную звезду) с точностью лучше 0,6 градуса, что значительно снижает систематические экспериментальные ошибки, вызванные вращением Земли.
Экспериментальные результаты сжимают верхний предел силы спин- гравитационной связи нейтрона в 17 раз и на порядок повышают точность различных фундаментальных физических эффектов.
