Eine gemeinsame Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Sheng Dong und Prof. Lu Zhengtian von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) untersuchte den Kopplungseffekt zwischen Neutronenspin und Gravitationskraft mithilfe von a Hochpräzises Xenon-Isotopen-Magnetometer. Diese Arbeit wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Ziel dieser Forschung ist es, die Kopplungsstärke zwischen Neutronenspin und Schwerkraft aufzudecken, indem der Gewichtsunterschied zwischen den Spin-Up- und Spin-Down-Zuständen des Neutrons gemessen wird. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass der Gewichtsunterschied zwischen diesen beiden Zuständen weniger als zwei Sextillionstel (-21) betrug, was eine neue Obergrenze für die Kopplungsstärke dieses Effekts festlegte.
Ein Artikel mit dem Titel „Testing Gravity’s Effect on Quantum Spins“, berichtet in Physikhebt diese präzise Messforschung als eine neuartige Erforschung der Schnittstelle von Quantentheorie und Schwerkraft hervor.
In der Natur gibt es vier grundlegende physikalische Wechselwirkungen, von denen nur die Schwerkraft experimentell keinen Zusammenhang mit dem intrinsischen Spin eines Teilchens gefunden hat. Wenn der Spin mit der Schwerkraft gekoppelt ist, weisen Teilchen in unterschiedlichen Spinzuständen im Gravitationsfeld der Erde extrem geringe Unterschiede in Energie und Kraft auf.
Seit den 1970er Jahren haben Forscher verschiedene klassische oder Quantenmessmethoden entwickelt, um nach dem Kopplungsphänomen zwischen Spin und Schwerkraft zu suchen und dabei die Präzision der Messung kontinuierlich zu verbessern. Diese Experimente haben auch die grundlegende Raumzeitsymmetrie bei Gravitationswechselwirkungen untersucht und versucht, axionartige Teilchen zu identifizieren, die Monopol-Dipol-Wechselwirkungen vermitteln.
Das USTC-Team entwickelte ein hochstabiles und empfindliches 129Xe-131Xe-Rb-Co-Magnetometer und kombinierte dabei seine selbst entwickelten Atomgeräte und spektroskopischen Messtechniken, Präzisionsmessmethoden, die zur Unterdrückung systematischer Fehler in Co-Magnetometersystemen entwickelt wurden.
Das Co-Magnetometer dient als Quantenkompass und misst die kohärenten Effekte zwischen den beiden nach oben und unten gerichteten Quantenspinzuständen. Die Quantenachse des Systems richtet sich mit einer Genauigkeit von besser als 0,6 Grad nach der Rotationsachse der Erde (dh der Richtung des Nordsterns), wodurch systematische experimentelle Fehler, die durch die Rotation der Erde verursacht werden, erheblich reduziert werden.
Die experimentellen Ergebnisse komprimieren die Obergrenze der Spin-Schwerkraft-Kopplungsstärke des Neutrons um den Faktor 17 und verbessern die Präzision verschiedener grundlegender physikalischer Effekte um eine Größenordnung.
Mehr Informationen:
S.-B. Zhang et al., Suche nach spinabhängigen Gravitationswechselwirkungen in Erdreichweite, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.201401
Bereitgestellt von der University of Science and Technology of China