检测引力对量子自旋的影响
发布时间：2023-05-23 10:34:23 所属栏目：动态 来源：
导读：量子理论与引力相遇的时空里对粒子固有自旋与地球重力场间相互作用的探索。
我们对物理学的理解得到了两个理论支柱的支持。首先是量子场论，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
我们对物理学的理解得到了两个理论支柱的支持。首先是量子场论，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
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量子理论与引力相遇的时空里对粒子固有自旋与地球重力场间相互作用的探索。 我们对物理学的理解得到了两个理论支柱的支持。首先是量子场论，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，它描述了引力的本质。这两个支柱都经受住了无数严格的测试，并得到了无数预测的惊人证实。然而，它们似乎不可调和，暗示着一个更深层次的真相。调和这些理论的道路被缺乏探索量子物理学和引力交叉现象的实验所掩盖。现在，由董升和卢正田领导的中国科学技术大学（USTC）的一组研究人员以前所未有的灵敏度寻找粒子的固有量子自旋与地球引力场之间的相互作用，从而进入了这一突破口。虽然没有发现这种相互作用的证据，但搜索产生了强烈的限制，这些限制对假设的自然力的存在以及宇宙的物质 - 反物质不对称的起源具有影响。 内在自旋是一种纯粹的量子形式的角动量，其本质不涉及粒子的物理旋转;它的解释来自狄拉克对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：广义相对论是一种经典理论，描述了由大质量物体旋转产生的角动量。那么量子自旋是如何与引力场相互作用的呢？这个问题仍然悬而未决。 中国科学技术大学团队开发了一个非常精确的实验来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。考虑磁场中核自旋的类似情况：核自旋的能量取决于其相对于磁场的方向，因为它的磁矩。这种现象被称为塞曼效应，是核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）的基础。它导致自旋从磁场轴倾斜到旋转 - 像陀螺一样摆动 - 可以称为拉莫尔频率的特征频率。类似地，如果存在自旋-重力相互作用，自旋将在引力场中前进。 如果重力直接耦合到自旋，其强度与质量耦合的强度相同，那么自旋将在地球引力场中以大约10 nHz的频率发生。该值比地球磁场中典型的核拉莫尔频率小100多亿倍，大约是我们星球每天一次旋转速度的千分之一。这些比较说明了中国科学技术大学团队面临的艰巨挑战。特别是，由磁场和地球自转相关的陀螺效应引起的系统误差需要在非凡的水平上得到理解和控制，以进一步检测存在的可能的异常自旋 - 不可调和重力之间的相互作用。 USTC团队的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。研究人员同时测量了施加电磁场中两种同位素的核自旋进动频率。该场的方向小心翼翼地平行于地球的自转轴对齐，以尽量减少陀螺效应引起的系统误差。通过提取两个进动频率的比率，该团队精确地消除了磁场相关效应。当磁场方向反转时，反复测量该频率比，并确定对应于两个不同场方向的比率之间的差异。首先，这种差异与非磁效应引起的进动幅度成正比，例如重力引起的自旋扭矩引起的进动。研究人员对数据的彻底分析没有发现自旋 - 重力相互作用的证据。 鉴于氙-129和氙-131原子核的结构，中国科学技术大学实验主要对重力耦合到中子自旋的强度敏感。该团队的测量对内在自旋与重力的任何耦合建立了最严格的约束。中子的推导极限将先前的界限缩小了17倍，并且它比电子的约束缩小了400倍，比质子的限制多了6000倍。相比之下，该实验对比地球自转率小一百倍以上的自旋进动频率敏感。 中国科学技术大学实验中寻求的自旋-重力相互作用的表现与由轴子等奇异玻色子介导的远程力无法区分[4]。轴子是一种假设粒子，由标准模型的许多理论扩展预测，是解释暗物质的有希望的候选者。中国科学技术大学的测量远远超过了以前对特定轴子介导力强度的限制，甚至是天体物理学观测得出的严格界限。 特别令人感兴趣的是，中国科学技术大学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）。量子场论预测，违反T对称性的相互作用也违反了组合的CP对称性，其中C代表电荷共轭——从粒子到反粒子的转变。物理学中一个长期存在的谜团是宇宙物质-反物质不对称的起源，而缺失的成分是目前未知的CP违反来源。这个谜团激发了对中微子物理学中违反CP的效应以及电子和其他基本粒子的CP违反永久电偶极矩的搜索。重力可能违反CP对称性的可能性为探测自旋 - 重力相互作用增加了进一步的动力。 在爱因斯坦发展广义相对论后不久开始的大量理论努力表明，在广义相对论的框架中包括内禀自旋可以在根本上改变理论[8]。鉴于内禀自旋最终是角动量的一种形式，人们可以通过类比来期望对轨道角动量的引力效应对自旋产生等效的影响。这个概念提出了一个有趣的测试。广义相对论预测，旋转的大质量物体在旋转时拖着时空。这种所谓的帧拖动会导致陀螺仪进动——例如，重力探测器B任务测量了这种效应。中国科学技术大学实验的灵敏度距离能够测量由帧拖曳引起的自旋进动还有许多数量级。然而，有实验建议表明，有朝一日这样的测试可能是可能的。研究人员已经发现，在一个或多个帧周期内，自旋进动的速度可以达到每秒几十万次，这意味着它们可以穿过任何物体。 （编辑：聊城站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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