高精度探测器助力宇宙微波背景辐射研究
高精度探测器助力宇宙微波背景辐射研究
近年来，随着航天技术的飞速发展，高精度探测器在宇宙微波背景辐射（CMB）研究中扮演着至关重要的角色。这些探测器采用先进的制冷技术和超大口径望远镜，能够实现对CMB的高精度探测。此外，多信使天文观测技术的发展也为这一领域的研究提供了重要手段。通过深度学习和机器学习等人工智能技术，科学家们可以从海量观测数据中提取有效信息，推动了宇宙学理论的发展。未来，国际合作与跨学科研究将进一步提升探测精度和技术水平，为人类揭示更多宇宙奥秘。
最新探测器技术进展
2025年1月，南京大学物理学院研究团队与南京大学天文学院研究团队、中国科学技术大学研究团队、浙江大学研究团队合作，在暗能量探测领域取得重要进展。研究团队构建了磁悬浮精密力测量系统，对对称场暗能量理论进行了高精度实验检测。相关实验精度将目前国际最好水平提升了六个数量级，覆盖了大量之前的实验系统未能检测的空白参数空间。相关研究成果以“Experimental constraints on symmetron field with magnetically levitated force sensor”为题，于1月20日线上发表于Nature Astronomy期刊，并入选为期刊亮点文章在Research Briefing栏目进行了专题报道。
当前的天文学观测表明，我们的宇宙正处于加速膨胀中。暗能量被认为是驱动宇宙膨胀的主要原因，并占据可观测宇宙总能量的70%。但是，作为宇宙中最神秘的存在之一，暗能量的本质是什么，它以何种方式与普通物质世界发生作用，目前仍然未知。对称场理论（Symmetron）能够很好地融入包含低能标量场的大一统理论框架中，是国际上公认的暗能量理论的重要候选者之一。除了已知的四种基本相互作用之外，该理论预言了一种“第五种力”，作用于普通物质。然而，依赖于自发对称性破缺——粒子物理标准模型和凝聚态物理中的一个基石性基本原理，对称场暗能量场可以在高密度环境中有效地隐藏自己，避免被检测到。
长久以来，科学家对于暗能量的认知和研究主要基于天文观测，如Ⅰa型超新星，宇宙微波背景辐射，重子声波振荡等。近年来，随着实验技术的进步，利用地面精密实验搜寻暗能量逐渐成为一条崭新路径。目前，国际上检验对称场理论的地面实验手段主要有经典扭摆、中子重力振荡、冷原子干涉仪等。该理论的屏蔽机制使得，在高密度实验室环境中，暗能量第五种力变得非常微弱，这给实验检测带来了巨大挑战。目前，仍有大量空白参数空间未能得到实验检验。特别是在亚毫米距离尺度，尚未有实验系统能够对该理论进行高精度检验。
针对这些挑战，科研团队利用磁悬浮力学振子——这一近年来新兴的精密力测量系统，精巧地构建了一个第五种力精密测量平台。从2018年至今，南京大学研究团队聚焦于磁悬浮振子系统发展了大量精密测量技术，实现了国际领先的加速度探测精度。该研究中，利用磁悬浮力传感器来探测旋转质量源预期产生的周期性第五种力信号。针对对称场模型，研究团队在大规模数值计算的基础上，对力探测器和信号源的几何结构进行了最优化设计，以最大化第五种力的探测效率；并设计了电磁力屏蔽系统、温度稳定系统、振动隔离系统等，以充分抑制环境噪声、电磁力噪声等对预期目标信号的干扰，实现了信号的长时间连续累积。最终，研究团队在亚毫米尺度上实现了迄今为止最高的力测量精度，给出第五种力的上限为0.3 fN。该研究成功地在三维参数空间中将对称场理论的参数限制提升了6个数量级以上，覆盖了大量之前的实验系统未能检测的空白参数空间。
该研究展现了当前实验室精密力测量实验技术的进展，表明磁悬浮力学系统在检验超出标准模型的新相互作用方面具有巨大潜力。审稿人对该工作给予了高度评价：“The new bounds in the case ofμ=2.4 meV corresponding to the dark energy scale improve greatly on the previously published ones.”（在对应暗能量的2.4 meV能量尺度上，新设定的参数界限相比之前发表的实验结果取得了极大提升）。
最新探测成果
2024年11月，安徽大学物理与光电工程学院刘浩教授与中国科学技术大学物理学院天文学系蔡一夫教授带领的粒子宇宙学课题组合作，在CMB前景分析领域取得重要进展。课题成员提出一种新的统计学方法用于检验银河系热尘埃辐射模型在微波波段的可靠性，并首次揭示目前广泛使用的模型与实测数据不符。该成果发表在国际知名学术期刊《天体物理学报增刊》上。
银河系热尘埃辐射是CMB观测中存在的主要前景污染之一，对其进行正确的建模关系到对原初引力波信号的搜寻。目前主流的热尘埃辐射模型仍是普朗克项目团队采用的单成分灰体谱模型。本研究建立了一种灵敏可靠的纯数据判据，能够在多个频率组对预期的前景谱进行模型无关的严格限制，从而定量地检验热尘埃辐射模型的可靠性。项目组将用该方法进一步检验现存的其他热尘埃辐射模型，有望进一步解决前景辐射估计中所需的前景成分的数量及具体形式这两个重要问题。
未来发展趋势
2023年12月8日，美国“粒子物理学项目优先小组”（P5）发布报告《探索量子宇宙：粒子物理学创新与发现之路》，概述了美国在粒子物理学方面的优先事项以及未来十年的投资愿景。该报告确定了3个新的科学主题，即破译量子领域、照亮隐藏的宇宙、探索物理学新范式，每个主题包含两个科学驱动因素，代表了未来10~20年最有前途的研究方向。
P5小组是高能物理咨询小组（HEPAP）的一个临时子委员会，HEPAP由能源部（DOE）和国家科学基金会（NSF）联合成立，旨在为国家高能物理计划制定长期计划、优先事项和战略提供建议等。2014年P5发布的粒子物理学规划为美国粒子物理学发展发挥了重要的推动作用。2022年，DOE和NSF要求成立新的P5小组，为美国粒子物理学制定立足未来20年全球战略背景下的10年战略规划。该规划的主要内容来自于近两年美国物理学会粒子与场学部（APS DPF）组织的“斯诺马斯”会议中粒子物理学界提出的数百份各领域白皮书。
破译量子领域：亚原子领域由丰富的量子效应所支配，标准模型为亚原子领域提供了统一的框架，但并不是对量子领域的终极描述，这激励了未来十年这一主题下的两个科学驱动因素。阐明中微子的奥秘：尽管中微子是最轻的物质粒子，但它的微小质量挑战了粒子物理学的标准范式，并在量子领域开辟了一个引人注目的新探索领域。中微子有三种类型或“味”，它们会经历量子振荡。然而，中微子质量的实际值仍然未知，中微子质量顺序也没明确测量。虽然标准模型可以增强以适应中微子质量和振荡，但不知道以哪种具体方式扩展模型。此外，不同的扩展模型对宇宙的诞生做出了截然不同的预测。因此，必须进一步研究中微子的奥秘，以探索中微子物理学与标准模型之间的深层联系。揭开希格斯玻色子的秘密：希格斯玻色子与粒子物理学中最令人费解的问题有关，包括“味”的起源、物质-反物质的不对称性、暗物质和暗能量以及暴胀。2012年希格斯玻色子的发现是标准模型的重大胜利。然而，关于希格斯玻色子的性质仍然存在重大问题。希格斯场是否是一个基本场，或者它是否实际是由其他成分组成的复合场？是否只有一个希格斯玻色子，或者是否有一个更丰富的扇区包含具有新动力学的相关粒子？希格斯玻色子是否可以衰变成非标准模型粒子？希格斯玻色子与物质粒子的相互作用，其值和模式是任何理论都无法预测的。揭示希格斯粒子扇区真实性质的探索是多方面的，需要专门的实验和理论项目，需要推动精度和能量的前沿。
照亮隐藏的宇宙：要回答粒子物理学本身的一些最深刻的问题，需要对宇宙演化进行详细的研究，揭示暗物质、暗能量、暴胀和宇宙中其他可能在推动宇宙演化中发挥作用的粒子的潜在性质。为了阐明隐藏的宇宙，未来的工作将集中在两个主要的科学驱动因素上。确定暗物质的性质：暗物质构成了宇宙质量的绝大部分，通过引力影响其结构和星系形成。尽管有这种主导影响，但它的粒子组成和引力之外的相互作用仍然未知。这个深刻的奥秘推动了该领域所有前沿的研究。解开暗物质之谜需要多样化的方法，分为四大类：宇宙巡天、基于加速器的实验、间接探测实验和直接探测实验。宇宙巡天探测暗物质在各种长度尺度上的分布，产生有关其性质的基本数据并指导其他方法。其他三个类别搜索暗物质粒子本身。30年来，弱相互作用大质量粒子（WIMP）一直是暗物质的主要候选者，美国做了大量工作搜寻WIMP的证据。同时，理论上的进步扩大了人们对其他可能的暗物质候选者的理解，如隐藏扇区模型和量子色动力学（QCD）轴子。更多的暗物质候选者将激发多方面的努力，利用地下设施、量子传感器、望远镜和基于加速器的探测器来确定暗物质的性质。了解宇宙演化的驱动力：宇宙演化是由标准模型未描述的物理过程决定的，从最初时刻的暴胀，到由辐射和暗物质为主的中间时期，再到今天的宇宙加速。宇宙巡天试图回答的关于宇宙演化的关键粒子物理学问题包括：什么是造成早期暴胀时代快速加速膨胀的原因？在辐射占主导地位的时代，宇宙中是否存在光子和中微子之外的其他类型的光？是什么推动了当前宇宙的加速膨胀？回答这些问题需要科学家详细了解：暴胀时代产生的原始波动的本性、特性和类型，这些初始波动在今天观察到的可见物体中的演化和发展，以及宇宙膨胀历史。通过多种互补的方法测量宇宙结构的发展和宇宙的膨胀历史，可以对暴胀和暗能量进行独特的探索，同时也可以深入了解中微子的性质和早期宇宙遗迹粒子的可能存在。
探索物理学新范式：粒子物理学和宇宙学的主流范式分别是标准模型和含宇宙常数的冷暗物质模型（ɅCDM），它们共同解释了各种各样的现象。为了更深入地了解量子宇宙，必须绘制出这两种模型之外的未探索领域，并了解这两种范式如何结合在一起。要涉及这些未知领域，可聚焦两个主要的科学驱动因素。寻找新粒子的直接证据：通过对新粒子的直接观察过程，粒子物理学家得出了当前的范式：标准模型。然而，标准模型还远未完成。暗物质、暴胀和暗能量等都不是标准模型的一部分，有一些物理过程将产生的反物质的极小部分转化为物质，但标准模型没有解释这个物理过程。标准模型也缺乏与爱因斯坦广义相对论一致的引力量子描述。目前，关于宇宙之谜的答案被认为与尚未发现的电弱能标尺度的物理学有关。因此，了解这种能量尺度的起源以及相关物理学对宇宙的影响是当今粒子物理学的一项主要任务。回答这些问题最直接的方法是发现新的基本粒子。如果新粒子的质量非常大，它们只能直接在高能对撞机中产生，因为对撞机能量越高，可以产生的质量就越高。另一种可能性是，这些粒子是在较低的能量下产生的，但非常罕见，例如在希格斯玻色子等已知粒子的衰变中。这需要能产生大量粒子的加速器，包括具有高强度光束和大型探测器的中微子实验。新粒子的发现，或者它们不存在的明确证据，将引发重大的范式转变，并决定未来研究的方向。追寻新现象的量子印记：新粒子即使不能直接产生，它们仍然可以通过已知粒子上的量子印记留下它们存在的线索。在粒子物理学中，通过量子印记及其理论解释而实现的发现有着悠久的历史，如对放射性β衰变的研究导致了对中微子和W玻色子性质的预测、对B介子混合的测量预测了顶夸克的高质量等。高能下的新现象可以通过它们的低能量子印记来探测。量子印记可以表现在各种各样的系统中，从相对较轻的μ介子和底夸克、粲夸克和奇异夸克，到已知最重的基本粒子、顶夸克和希格斯玻色子。追求这些不易察觉的效果需要大量的数据样本。这反过来又需要产生高强度光束的加速器和能够处理强度的精密探测器。这促使人们继续投资于广泛的搜索计划，以寻找新现象的可能量子印记。