“宇宙由什么组成”是 Science 期刊评选的 125 大科学问题的第一个。
从古至今，人类一直在不断地探索着这些问题。中国古人相信世界是由金、木、水、火、土构成，而古希腊与古印度人则认为世界是由地、火、水、风四大元素构成。随着时间的发展和技术进步，近代科学家提出物质是由电子、质子、中子构成的。
但是科学家通过近一百年来的各项天文学实验发现，宇宙总组成中约 5%是正常物质构成，95% 是由暗物质和暗能量构成。即我们目前所知的物质只占宇宙总组成的 5%，占绝大多数的暗物质与暗能量仅仅从天文学观测上的角度被间接观测到。
而暗物质的具体性质，如它是否是由一种或多种粒子组成，具有什么样的基本性质（质量、自旋、宇称）等，科学界仍然一无所知。因此，这成为了现代物理学最核心的基本问题之一。
根据粒子物理的标准模型，现实世界的物质之间有四种基本相互作用力，包括引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用，可以解释物质世界的所有作用力。
但是，逐渐发现的重量级实验现象，例如 W 玻色子的质量异常和 μ子异常磁矩等，以及建立的各类理论模型，都预示着超越标准模型的新物理的存在。是否存在着超越标准模型的新相互作用力——第五力，一直是前沿基础物理领域探索的热点。
一些暗物质候选粒子，可以作为传播第五力的媒介子，因此科学家们寄希望于利用新的探测实验寻找第五力，从而间接搜寻暗物质，暗能量等。
（来源：Nature Communications）
前不久，北京航空航天大学航空科技专家院士团队与复旦大学、德国美因茨大学、德国亥姆霍兹研究所、加州大学伯克利分校等研究团队合作，利用超极化的碱金属钾-铷-惰性气体氖（K-Rb-21Ne）组成的自旋系统，直接探测超越标准模型暗物质和第五种力。
该结果在自旋和速度相关第五力方面划定了新的排除极限，通过该结果得到的 Z’玻色子与标准模型粒子的耦合强度也比天文学得到的极限要更严格。
相关论文于近日以《对自旋和速度相关奇异相互作用对新限制》（）为题发表在 Nature Communications 上[1]。该论文的第一作者为北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院博士，通讯作者为德国亥姆霍兹研究所美因茨所的博士和复旦大学近现代物理研究所教授。
探测新奇相互作用
在经典电磁学中，粒子的自旋会产生偶极磁场。而运动带电荷的粒子，比如电子，也会感受到速度相关的洛伦兹力。
这种经典电磁力凭借虚光子传递。类似地，科学家们预测轴子和 Z'玻色子等暗物质也可以像虚光子一样传递标准模型外的新的奇异力。这种奇异力和自旋的耦合是一种类似磁场对于小磁针的作用。
我们可以想象，一个磁针在磁场中会运动，最简单的形式是指南针在地球磁场下的偏转。到了原子层面上，量子效应占据了主导作用，原子会绕着磁场发生拉莫进动。
混合原子磁强计中的碱金属和惰性气体的自旋均被极化到一个特定的方向上（图中 z 方向），像在磁场下整齐排列的磁针。这些磁针会在外界磁场扰动下发生复杂的运动，进而被垂直与磁针方向的激光探（x 方向）测到。
值得注意的是，混合原子磁力计中氖原子核对转动以及与自旋耦合的奇异相互作用具有极高的灵敏度，在探测新物理方面具有独特优势。
于是，研究者设计实验来探测可以和氖原子核内的中子和质子相互作用的奇异力。北航团队打造的钾-铷-氖（K-Rb-21Ne）混合原子磁力计，能在 1Hz 以下的超低频段实现约 1fT/sqrt（Hz）的超高测量灵敏度。
图 | 实验装置（来源：Nature Communications）
除了使用混合原子磁强计作为精密探测工具，研究者还设计了大质量的钨环作为力的源。钨环之所以被当作产生奇异力的源，是因为它的密度极高。如第五力存在的话，高密度的钨环会比其它密度低的物质产生的第五力大得多。
由于该力的大小与粒子运动速度相关，该团队使用伺服电机将钨环源转动起来，并调整粒子转动速度的大小，进而产生不断变化的第五种力等效磁场。
研究者将钨环沿 y 轴被放置在共磁力仪之后，钨环的中心和同磁力计中心处于同一高度。共磁力仪被放置在一个单独的平台上，该平台与钨环体系隔离，以减小钨环体系带来的震动等串扰。
实验过程中，光强度、频率、温度等的波动被实时检测和反馈抑制。此外，五层坡莫合金屏蔽层和一层铁氧体屏蔽层对气室进行屏蔽，能够抑制外部磁场和磁噪声。
数据采集与模拟
实验的原始信号首先被记录下来，然后根据得到的钨环位置，速度等参数模拟得到第五力的等效磁场大小。混合磁力仪的氖原子核的响应也被模拟下来，进而可以得到预期的电压信号。
通过比较预期电压信号和实验测量信号，实验人员可以研究第五力的存在与否。实验没有发现超出预期的信号。所以根据实验结果，按照 95% 的置信水平，给第五力的存在划定了新的极限。
图 | 数据的模拟与采集（来源：Nature Communications）
综合看来，相较于之前实验获得的最佳结果，该实验取得的新极限提升了几十倍。得益于该实验的极高的探测灵敏度，该实验可以对超轻 Z'玻色子与标准模型粒子的耦合也进行了新的限制（下图），这些限制比天文学的极限还要严格。
图 | 实验结果对 Z'粒子对耦合系数限制，其中黑色实线和红色虚线来自本工作，蓝色虚线来自谬子反常磁矩实验，绿色虚线来自超新星冷却限制，褐色虚线来自宇宙早期膨胀的限制（来源：Nature Communications）
“桌面级的精密测量是探测新物理的一个重要契机，科学家们利用这个手段可以在小型的实验室内，利用超高的灵敏度探测暗物质，暗能量，检验标准模型等。这对于基础物理的研究有着极其重要的意义，”文章的共同作者之一，美国加州大学伯克利分校物理系教授迪米特里·布德克（）。
参考资料：
1.Wei K, Ji W, Fu C. et al. Constraints on exotic spin-velocity-dependent interactions. Nature Communications 13, 7387 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-34924-z
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