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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院盛東教授與物理學(xué)院盧征天教授聯(lián)合課題組開發(fā)了高精度的氙同位素共磁力儀，并利用該原子器件探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，對(duì)核子與中子間的單極-偶極相互作用強(qiáng)度在亞毫米尺度上設(shè)定了新的上限。相關(guān)成果以“Search for Monopole-Dipole Interactions at the Submillimeter Range with a 129Xe-131Xe-Rb Comagnetometer”為題于6月10日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 128, 231803 (2022)]上。

原子共磁力儀是一種既可以用來研究基礎(chǔ)物理又具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的原子器件，它通過同時(shí)同地測(cè)量?jī)煞N原子的自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)來消除磁場(chǎng)波動(dòng)和漂移的影響，從而精確測(cè)量器件本身的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以共磁力儀也是一種小型陀螺儀。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)在實(shí)驗(yàn)中被置零后，該原子器件即可用來探索單極-偶極相互作用。這種奇異相互作用是由諾獎(jiǎng)得主維爾切克（Franck Wilczek）提出的，它可由一種至今尚未被探測(cè)到的“軸子”粒子來傳播。

為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，課題組開發(fā)了自主的原子器件制備技術(shù)，并對(duì)131Xe的進(jìn)動(dòng)頻譜提出了新的理論分析方法[Phys. Rev. A 102, 043109 (2020)]；同時(shí)也發(fā)展了極化調(diào)制手段來有效抑制極化堿金屬原子對(duì)核自旋進(jìn)動(dòng)的影響。基于這一系列技術(shù)，課題組利用積累了兩個(gè)月的測(cè)量數(shù)據(jù)，在0.11 - 0.55 mm 的作用程范圍里（對(duì)應(yīng)的傳播子質(zhì)量范圍為0.36 -1.80 meV/c2）對(duì)核子與中子單極-偶極相互作用強(qiáng)度設(shè)置了新的測(cè)量上限，特別是在作用程0.24 mm 附近，本項(xiàng)工作的實(shí)驗(yàn)精度比前人結(jié)果提高了30 倍。

圖1核子（左）與極化氙原子（右）的單極-偶極相互作用示意圖。

物理學(xué)院博士生豐宇焜為論文第一作者，盛東和盧征天是共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委和中科院先導(dǎo)項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.231803

（工程科學(xué)學(xué)院、物理學(xué)院）