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中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰團隊與南京大學教授黃璞、副教授何建華等組成的聯(lián)合研究組，利用抗磁懸浮力學系統(tǒng)在實驗室環(huán)境中對一種重要的暗能量理論——變色龍理論進行實驗檢驗，未發(fā)現(xiàn)該理論預言的“第五種力”，從而排除了其作為暗能量的可能。這是所有暗能量理論中首個確定性的實驗檢驗。8月25日，相關研究成果線上發(fā)表于國際學術期刊《自然—物理》。
抗磁懸浮力學系統(tǒng)實驗系統(tǒng) 中國科大供圖
在《科學》雜志發(fā)布的125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題中，“宇宙由什么構成”排在第一個。宇宙學和天文學的一些觀測事實表明，宇宙正處于加速膨脹中，而暗能量被認為是驅動其膨脹的原因。但是，暗能量的本質是什么，它以何種方式與我們的世界發(fā)生作用，目前仍然未知。
變色龍理論是用來解釋宇宙加速膨脹的一種理論模型，該理論的最大特征之一是預言了已知四種基本相互作用外的“第五種力”，在形式上可以寫為萬有引力作用的微小偏離，這為實驗研究提供了可能。
此次工作中，研究人員利用抗磁懸浮力學系統(tǒng)作為力探測器，精巧構建了亞毫米尺度的具有超高靈敏度的“桌面式”力探測平臺，對變色龍理論所預言的“第五種力”進行了檢測。
研究人員對變色龍場做了精細的數(shù)值模擬和基于此的第一性原理幾何設計，對質量源與力探測器采用了薄膜結構，有效解決了變色龍場在質量源端和力探測器端的雙重屏蔽困難；并且，實驗中產(chǎn)生了超長相干時間的“第五種力”驅動以提高力探測精度。
以上技術極大提升了對“第五種力”的探測效率，實現(xiàn)了迄今為止對變色龍理論的國際最高檢測精度，將理論預言的變色龍作用力上限限制到6 x 10-17牛頓。結合先前其他實驗，該研究最終完成了基礎變色龍理論的全參數(shù)空間檢驗，未發(fā)現(xiàn)該理論預言的“第五種力”，從而確定性地排除了這一暗能量理論。
這一工作充分展示精密力探測與宇宙學研究的交叉融合，有望激發(fā)科研人員對宇宙天文學、粒子物理學和原子分子物理學等多個基礎科學領域的廣泛興趣。審稿人高度評價該工作：“在我看來這是一個非常重要的成果，代表了該領域的一個重大進展。“
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01706-9
標簽： 中國科學技術大學
