原创 多加 DeepTech深科技 昨天 在以男性科学家为主物理科研圈中,彭新华是一抹亮丽的柔彩。出生于湖南小城,德国留学、工作后归来,回国入职中科大六年后,获得国家杰青。图 | 彭新华(来源:彭新华百科)
天文学研究间接表明,暗物质是宇宙物质中的绝大组成部分,大约占 85%,普通物质则只占 15% 左右。 大量理论提出,弱相互作用大质量粒子、轴子、暗光子等是暗物质的热门候选粒子。为研究这些神秘的粒子,各国相关机构先后成立国家级、乃至世界级的暗物质探测计划,譬如 ADMX、CAST、GNOME 等。 宇宙的浩瀚超人想象,即便人类付出了不少努力,但仍未找到暗物质存在的直接证据。 而本次研究要解决的问题在于,尽管有天体物理证据表明暗物质存在,但尚未能直接检测到任何暗物质和标准粒子系统的相互作用,并且目前的实验搜寻灵敏度还远低于国际公认最强的宇宙天文学界限。 而暗物质的发现,可让人类可以更好理解宇宙,并能带来常规粒子体系之外的天体物理学和宇宙学见解。 暗物质世界中有各种候选粒子,其中弱相互作用的大质量粒子在过去四十年里引起了最多关注。尽管有许多提高灵敏度的实验,但尚无实验可证明大质量粒子存在的特征,而来自中微子底部的背景噪声,会给弱相互作用粒子的搜索灵敏度带来较大的限制。 作为一种从解决强 CP(Charge Parity,电荷宇称)破缺研究中提出的新粒子,轴子是另一种暗物质的极佳候选粒子。但是,传统的粒子物理探测技术比如粒子对撞技术,无法用于超轻质量范围的轴子搜寻。 最近,轴子-核子的相互作用引起了科学家们的注意。其中,轴子可以产生一个时间振荡的磁场和核自旋耦合,利用核磁共振技术进行相关实验,即可直接探测轴子-核子之间的相互作用强度。 工欲善其事,利其器。为更好搜寻暗物质,彭新华团队借助气态氙和铷原子混合蒸气室,发明出新型超灵敏量子精密测量技术,这是一种基于核自旋量子测量的技术,兼具超高灵敏度和“桌面式”特征。
和以往机制完全不同的是,这种新型放大机制具备两大优势:
图 | 该研究的暗物质搜寻结果:暗光子与原子核的耦合界限(左),轴子与原子核的耦合界限(右)(来源:Nature Physics)
冰冻三尺非一日之寒,此前已有较多积累一开始,他们使用外购的商品化仪器,后面开始自力更生即自主搭建量子精密测量平台,从源头上提高原创性,也给攻克相关难题提供了独辟蹊径的思路。比如,近年来使用量子精密测量技术来搜寻新粒子,已让该团队斩获多项全球领先的成果。据悉,彭新华团队近期利用超灵敏量子测量技术开展了“第五种力”的实验搜寻,获得了国际上最强的Z’波色子的约束界限,该研究成果也于 11 月 17 日发表在Science Advances [2]。通过该团队的这些成果,中国在新粒子探测领域的国际地位得以提高。 此前,她带领团队在全球范围内率先开展了绝热量子模拟的实验研究,并且还是量子计算分解质因数最大数的国际纪录保持者。2015 年,她和团队第一次实现了对于虚磁场中“李-杨零点”的探测,“李-杨零点”于 20 世纪下半叶由华裔科学家李政道和杨振宁提出,六十多年来一直被认为只存在在理论中、非物理的概念。 图| 研究历程以及取得的重要研究进展(来源:中科大) 彭新华生于湖南岳阳,本科毕业于湖南师范大学物理系,后获得中科院武汉物理与数学研究所博士学位。2003 年 8 月至 2005 年 8 月,以洪堡学者身份在德国多特蒙德大学做研究,此后继续在德国做了几年研究。 后来,她选择回国并加入中科大。原因有二:其一,就研究量子信息来说,这里的起点高、实力强,潘建伟院士、杜江峰院士和郭光灿院士的三支团队已成为科大量子成果的名片;其二,她所在的校区位于合肥,虽然不是北京、上海那样的大城市,但她很喜欢这里偏居一隅的科研环境。 由于在武汉读过书,至今她仍和当地学者保持紧密合作。该论文发表的不久之前,她和华中科技大学吕新友教授的合作论文,也已发表在 Nature Communications 上[3],在那项研究中他们完成量子模拟领域的重要实验。 -End- 支持:张智 参考: 1. Jiang, M., Su, H., Garcon, A. et al. Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers. Nat. Phys. (2021). 2. H. Su, Y. Wang, M. Jiang, W. Ji, P. Fadeev, D. Hu, X. Peng, and D. Budker. Search for exotic spin- dependent interactions with a spin-based amplifier. SCIENCE ADVANCES, 7(47):eabi9535, 2021. 3. X. Chen, Z. Wu, M. Jiang, X.-Y. Lu ̈, X. Peng, and J. Du. Experimental quantum simulation of super- radiant phase transition beyond no-go theorem via antisqueezing. Nature Communications, 12(1):6281, 2021. 文章已于2021/11/27修改 确定 |
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