中科院、中科大团队精确测量子引力对量子自旋的影响

光子盒研究院

由中国科学院盛东教授、陆征天教授和中国科学技术大学的合作研究小组利用高精度氙气同位素磁力仪研究了中子自旋和引力之间的耦合效应。5月15日，这项题为Search for Spin-Dependent Gravitational Interactions at Earth Range的研究发表在《物理评论快报》上。

文章中，强调了这项精确的测量研究是对量子理论和引力交界处的新探索。

在自然界的四种基本物理相互作用中，只有引力还没有被经验证明与粒子的内在自旋有关。如果自旋与引力有关，不同自旋状态的粒子在地球引力场内的能量和力的变化将极其微小。

我们对物理学的理解是由两个理论支柱支持的：第一个是量子场理论，它支撑着粒子物理学的标准模型；第二个是爱因斯坦的广义相对论，它描述了重力的性质。这两个支柱都经受住了无数次严格的测试，并有无数的预测得到了惊人的证实。

自20世纪70年代以来，研究人员一直在开发许多常规或量子测量方法，以寻求自旋和重力之间的耦合现象，稳步提高测量精度。这些调查还研究了引力相互作用中潜在的时空对称性、识别介于单极-偶极相互作用中的类似轴子的粒子。

然而，它们似乎是不可调和的——暗示着一个更深层次的真相。由于缺乏探测量子物理和引力交叉点现象的实验，调和这些理论的道路被遮蔽了。

本质自旋是一种纯量子形式的角动量，其本质不涉及粒子的物理旋转；其解释来自狄拉克的量子力学和狭义相对论的统一。相比之下，引力场是通过广义相对论来理解的：广义相对论描述的角动量只产生于大型大质量物体的旋转，是一种经典理论。那么，量子自旋是如何与引力场互动的呢？这个问题仍然没有答案。

此次，实验团队开发了一个非常精确的实验，以测试与原子核自旋相关的能量是否取决于自旋相对于地球引力场的方向：方法涉及由两种不同同位素组成的自旋极化气体——氙-129和氙-131。

在外加磁场（绿色箭头）中，氙-131（蓝色）和氙-129（紫色）的核自旋以不同的频率摆动或进旋（由单头和双头黑色箭头表示）。研究人员利用进动频率的这种差异来寻找自旋与地球引力场之间相互作用的迹象（用浅蓝色阴影说明）。

这项研究旨在通过测量中子自旋上升和自旋下降状态的重量差来揭示中子自旋与重力之间的耦合强度。实验结果显示，这两种状态的重量差小于六千亿分之二（<2×10-21），为这种效应的耦合强度设定了新的上限。

中国科学技术大学的团队开发了高度稳定和敏感的129Xe-131Xe-Rb共磁计，结合他们自行开发的原子装置和光谱测量技术，开发的精密测量方法可以抑制共磁计系统的系统误差。

共磁计被用作一个量子罗盘，测量两个量子自旋态之间的相干效应，指向向上和向下。该系统的量子轴与地球自转轴（即北极星的方向）对齐，精度优于0.6度，大大减少了地球自转造成的系统实验误差。

(a) 实验装置的插图。(b) 该装置的坐标系统。

实验结果将中子的自旋-重力耦合强度的上限压缩了17倍，并将各种基本物理效应的精度提高了一个数量级（比电子的约束缩小了400倍、比质子的限制多了6000倍）——测量结果远远超过了以前对特定轴子介导的力量的限制，甚至超过了从天体物理观测中得出的严格限制。

特别令人感兴趣的是，此次实验探测了一种自旋-重力相互作用，它违反了奇偶性（P）的基本对称性，对应于坐标轴通过原点反射时的对称性，以及时间反转（T）。

这些实验进展有望进一步探测更多物理学谜题，例如爱因斯坦的广义相对论。

参考链接：

[1]https://www.azoquantum.com/News.aspx?newsID=9625

[2]https://phys.org/news/2023-06-exploring-gravity-effect-quantum.html

[3]https://physics.aps.org/articles/v16/80