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----微米间距非标准模型相互作用实验检验

发布时间:2018-07-12          来源:           浏览次数:

小组成员:

教师: 罗鹏顺教授(pluo2009@hust.edu.cn

博士后: 王建波 博士(jianbowang@hust.edu.cn

博士生: 任小芳(15'),丁继华(16'),罗锐(17'),王倩(18',丁露(18'

硕士生: 雷祥洲(16'),贾小飞(17'),李素敏(17'),谷庭龙(18'

欢迎感兴趣的同学报考本组研究生,欢迎有相关背景(扫描探针显微技术、光力学(Optomechanics)、光悬浮微球、非标准模型新物理检验)的优秀博士加入我们。

研究方向及成果:

粒子物理的标准模型是迄今最伟大的理论之一,其理论预言已经过大部分的实验检验。然而,粒子物理的标准模型还面临着很多未解答的问题,如暗物质、正反物质不对称、强CP破坏、以及与引力如何统一等问题。很多物理学家认为,粒子物理的标准模型是一个更基本的、同时可以描述引力的统一理论的低能近似,而超越标准模型的理论通常预言了新的粒子和新的相互作用的存在。对于高能粒子的寻找通常在大型粒子对撞机(如LHC)上进行,而对于一些轻的、且与普通物质作用微弱的粒子(也可能是暗物质候选者)可在常规实验室通过检验由这些粒子传递的有效相互作用来检验[1,2]。本小组目前主要在微米间距通过巧妙的实验设计,使用悬臂梁弱力测量技术对以下几种相互作用进行检验。

1Yukawa相互作用:Yukawa相互作用最初由诺贝尔物理学奖获得者Hideki Yukawa提出,为标量场与狄拉克场间的相互作用,可用来描述核子间交换 介子产生的核力,其有效相互作用势为: ,其中 为作用程, 为标量粒子的质量,g为耦合常数。很多非标准模型理论都预言新的标量粒子的存在,通过交换这些新的粒子,费米子间可产生Yukawa类型的相互作用。此外,如果考虑额外维的存在,当引力在额外维空间传播时,牛顿万有引力定律需要修正,在间距接近紧致额外维尺度时,引力势可用Yukawa势修正为:

目前大部分牛顿反平方定律实验检验结果都用以上的势能形式来参数化。

       在微米间距,牛顿引力远小于目前的弱力测量水平,主要的背景作用力为电磁相互作用:Casimir力和静电力。我们自2011年开始进行微米间距的实验检验,使用悬臂梁测量一个金球与金-硅密度调制吸引质量间的相互作用力。通过驱动吸引质量运动将待检验的Yukawa力信号调制到高倍频,从而与背景作用力分离。2016年该实验获得了一个不需进行电磁相互作用背景扣除的初步结果[3]

 

2)自旋相关的相互作用:当传递相互作用的粒子为赝标量粒子或自旋为1的玻色子时,两个费米子间会产生跟自旋有关的相互作用。其中一种为可通过(类)轴子传递的相互作用,最初由诺贝尔物理学奖获得者Frank Wilczek1984年提出[4],它们有如下的有效作用势:

单极-偶极作用:

偶极-偶极作用:

 

由于轴子是强CP破坏问题的可能解决方案,也是冷暗物质的可能候选者,因此轴子探测引起了广泛关注。目前国内外有多个大科学项目在进行轴子的探测,如上海交通大学主导的PandaX实验、美国华盛顿大学的ADMX实验、欧洲核子中心的CASTIAXO实验、东京轴子太阳望远镜实验等。我们课题组目前也在微米间距检验(类)轴子传递的单极-偶极相互作用是否存在,拟使用悬臂梁测量一个金球与电子自旋极化交替反向的周期磁结构间的作用力,预计检验精度比当前国际最好水平提高约1000倍(在2μm作用程)。

 

对于偶极-偶极相互作用,2017年我们根据IBM Almaden STM研究组利用单原子电子自旋共振技术(ESR-STM)测量得到的两个铁原子间的相互作用数据,分析给出了对该类相互作用的限制,给出了当(类)轴子质量大于约1eV时,对电子-电子间该相互作用最强的限制[5]。该结果已被The Particle Data Group (PDG)收录。

3)自旋和速度相关的相互作用:2006年,DobrescuMocioiu基于量子场论一般性地给出了两个费米子间通过交换自旋为0或自旋为1的玻色子可能存在的旋转不变的相互作用势,总共有16[6]。我们课题组目前在对其中一种跟自旋和速度都有关的新相互作用进行检验,其有效作用势为:

该实验同样采用电子自旋交替反向的周期磁结构,但是电子自旋在平面内极化。通过悬臂梁测量金球与该磁结构的力检验可能存在的新相互作用,通过驱动磁结构振动让待检验作用力周期变化,从而与不变的背景力分开。目前该实验已获得较好的实验结果。

 

4)扫描探针显微镜的研制:本课题组使用的主要技术手段为扫描探针显微技术,利用悬臂梁进行弱力测量,目前我们已研制2台扫描探针显微镜系统。

 


毕业生去向:

付彗星,2018年硕士毕业,华为(深圳)
王建波,2017年博士毕业,华中科技大学博士后
曹前进,2017年硕士毕业,舜禹光学科技(宁波)
田昭阳,2016年硕士毕业,台达电子(上海)
秦莉兰,2015年硕士毕业,国家超算深圳中心
田松鹏,2013年硕士毕业,武汉中原电子




1.    Torsion balance experiments: A low-energy frontier of particle physics, E.G. Adelberger , J.H. Gundlach, B.R. Heckel, S. Hoedl, S. Schlamminger, Prog. Part. Nucl. Phys. 62, 102 (2009).

2.    The Low-Energy Frontier of Particle Physics, Joerg Jaeckel and Andreas Ringwald, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 60, 405 (2010).

3.    Test of non-Newtonian gravitational forces at micrometer range with two-dimensional force mapping, Jianbo Wang, Shengguo Guan, Kai Chen, Wenjie Wu, Zhaoyang Tian, Pengshun Luo,* Aizi Jin, Shanqing Yang, Chenggang Shao, and Jun Luo*, Phys. Rev. D 94, 122005 (2016).

4.    New macroscopic forces? J. E. Moody and Frank Wilczek, Phys. Rev. D 30, 130(1984).

5.    Constraints on spin-dependent exotic interactions between electrons at the nanometer scale, Pengshun Luo,* Jihua Ding, Jianbo Wang, and Xiaofang Ren, Phys. Rev. D 96, 055028 (2017).

6.    Spin-dependent macroscopic forces from new particle exchange, B. A. Dobrescu and I. Mocioiu, J. High Energy Phys. 11 (2006) 005.

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