中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士團隊與南京大學組成的聯(lián)合研究組在暗能量探測領域取得重大進展，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——變色龍理論進行了實驗檢驗，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的首個確定性的實驗檢驗。相關研究成果以“Experiments with levitated force sensor challenge theories of dark energy”為題，于8月25日線上發(fā)表于國際學術期刊《Nature Physics》。

Science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，我們的宇宙正處于加速膨脹中，而暗能量被認為是驅動膨脹的原因。但是，對于暗能量的本質是什么，以何種方式與我們的世界發(fā)生作用，目前仍然未知。為探索神秘的暗能量場，國際上布局了多種實驗研究計劃，傳統(tǒng)的手段主要是借助天文觀測或大型物理裝置，如太空望遠鏡、地下實驗室以及大型高能粒子加速器等。中科院微觀磁共振重點實驗室于近年來創(chuàng)新發(fā)展了基于固態(tài)自旋、氣態(tài)原子、微力學系統(tǒng)等能夠在實驗室尺度（Lab scale）開展探索的實驗體系和技術，為拓展人類對宇宙的認識提供了新途徑，已完成一系列重要的實驗研究[Nat. Commun. 9, 739 (2018); PRL 121, 080402 (2018); PRL 127, 010501 (2021); Nat. Phys. 17, 1402 (2021); Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021); PRL 129, 051801 (2022)]。

此項研究針對一種重要的暗能量理論——變色龍理論開展實驗檢驗。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。本工作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。研究中，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（圖1左）；并且，實驗中產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（圖1右），將理論預言的變色龍作用力上限限制到6 x 10-17牛。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（見圖2）。

圖1:抗磁懸浮力學系統(tǒng)實驗系統(tǒng)（左）；實驗探測給出的變色龍第五種力上限（右）

圖2:該研究的暗能量探測結果：基礎變色龍場與普通物質的耦合界限（左），不同階數(shù)變色龍場與普通物質耦合界限（中），基礎變色龍場與光子的耦合界限（右）。其中染色區(qū)域是被實驗檢驗并被排除的區(qū)域，當前工作檢驗的區(qū)域為紅色，與之前報告的實驗一起，完全排除了變色龍模型。

研究中使用的抗磁懸浮力學系統(tǒng)是最近幾年發(fā)展起來的超高靈敏力學傳感器，中國科大中科院微觀磁共振重點實驗室是國際上最早開展此項前沿技術研究的實驗室之一。該室于十年前即布局了微弱力信號精密測量的實驗研究方向，杜江峰院士帶領其研究生黃璞、印沛然（現(xiàn)分別為南京大學教授、博士后，本文共同通訊作者和共同第一作者）等從無到有搭建了實驗平臺，成功發(fā)展了一系列高精度力信號精密測量實驗技術[PRL 110, 227202 (2013); PRL 117, 017701 (2016); Nat. Commun. 7, 11517 (2016)]，包括率先發(fā)展了基于抗磁懸浮力學系統(tǒng)的精密測量技術[Physical Review Applied 12, 044017 (2019)]。上述工作為本文的研究工作奠定了核心實驗基礎。

審稿人高度評價該工作：“In my opinion this is a very important result……this represents a significant step forward in this field”（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）。這一工作充分展示了精密力探測與宇宙學研究的交叉融合，有望激發(fā)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。

中科院微觀磁共振重點實驗室博士研究生李睿與南京大學博士后印沛然、碩士研究生殷承江為該文共同第一作者，杜江峰院士與南京大學黃璞教授、何建華副教授為該文共同通訊作者。該研究得到了中科院、科技部、國家自然科學基金委、安徽省和合肥市的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01706-9

（中科院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）