特殊设置使用极化铷和氙作为奇异场的发射器和接收器系统

在寻找标准模型之外的新力量和相互作用的过程中，一个由美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)和亥姆霍兹研究所PRISMA卓越集群组成的国际研究团队向前迈出了一大步。包括DmitryBudker教授在内的研究人员正在使用基于核磁共振的放大技术。

在他们最近发表在《科学进展》上的工作中，他们使用他们的实验装置来研究自旋之间特殊的奇异相互作用：由一种新的假设交换粒子介导的违反宇称的相互作用，称为Z'玻色子，除了Z玻色子之外还存在调节标准模型中的弱相互作用。

在当前的设置中，他们无法检测到该粒子，但与之前的测量相比，他们能够将灵敏度提高五个数量级。这使得研究人员能够对新交换粒子与标准模型粒子相互作用的强度进行限制，这些粒子与天体物理观测相辅相成，并开辟了一个以前无法进入的区域。

许多理论预测存在超出标准模型的外来相互作用。它们不同于四种已知的相互作用，并且由以前未知的交换粒子介导。特别是，违反奇偶校验的相互作用，即镜像对称性被破坏的相互作用，目前正受到特别关注。

一方面，因为这会立即表明我们正在处理的新物理学的特定类型，另一方面，因为它们的效应更容易与虚假的系统效应区分开来，通常不会显示镜像对称性破缺。“在当前的文章中，我们仔细研究了电子自旋和中子自旋之间的这种相互作用，这种相互作用是由假设的Z'玻色子介导的。在镜像世界中，这种相互作用会导致不同的结果;宇称是在这里违反了，”DmitryBudker解释说。

这个“结果”看起来是这样的：一个源内的电子自旋都在一个方向上排列，即极化，并且极化被连续调制，从而产生一个被感知为磁场并可以使用传感器测量的奇异场.在镜像世界中，奇异场不会指向与“真实”镜像中预期的相同方向，而是指向相反的方向：违反了这种相互作用的奇偶校验。

SAPPHIRE——寻找新物理学的新宝石

“用于粒子物理研究的自旋放大器”(简称SAPPHIRE)是研究人员为其设置命名的名称，它基于铷和氙这两种元素。他们已经以类似的形式使用这种技术来寻找其他奇异的相互作用和暗物质场。

具体来说，在寻找奇异的自旋-自旋相互作用的实验中，两个充满两种元素之一的蒸汽的腔室彼此靠近放置：“在我们的实验中，我们使用铷87原子的极化电子自旋作为稀有气体氙的自旋源和极化中子自旋，或者更准确地说是同位素氙129，作为自旋传感器，”DmitryBudker说。

诀窍在于自旋传感器中的特殊结构和极化氙原子最初会放大铷源中产生的场：因此，由潜在的外来场触发的效应将放大200倍。现在核磁共振原理开始发挥作用，即核自旋对以特定共振频率振荡的磁场作出反应。为此目的，铷87原子也以小比例存在于传感器单元中。它们又充当一个极其灵敏的磁力计，以确定共振信号的强度。

在正确的频率范围内检测到这样一个奇异场，将成为我们正在寻找的新相互作用的线索。其他特殊的实验细节确保该装置在感兴趣的频率范围内特别敏感，并且对实验中不可避免地也会出现的其他磁场的寄生效应不太敏感。

“总而言之，这是一个相当复杂的设置，需要仔细的设计和校准。与合肥科技大学(USTC)的长期合作者一起解决这些具有挑战性和有趣的问题是非常有益的，中国主持了实验，”DmitryBudker报道。

在成功完成原理验证后，科学家们开始了第一系列的测量，以寻找奇异的相互作用。尽管他们在测量24小时后仍未找到相应的信号，但灵敏度提高了5个数量级，这使他们能够对新交换粒子与标准模型粒子相互作用的强度设置约束条件。

进一步优化甚至可以将实验对特殊奇异相互作用的灵敏度提高八个数量级。这使得使用超灵敏SAPPHIRE装置发现和研究具有潜在Z'玻色子的新物理学似乎成为可能。