近日，北京大学物理学院技术物理系季伟助理教授与北京航空航天大学大科学装置研究院房建成院士课题组魏凯教授合作，在轴子传递的自旋相关的新相互作用方面，创新地采用了“软磁环绕硬磁”结构和特殊设计的磁屏蔽结构，利用超灵敏的K-Rb-21Ne共磁力仪对中子-电子及质子-电子自旋耦合新相互作用进行了测量，获得了国际领先的实验灵敏度。该结果以“轴子传递的偶极偶极相互作用的极限”（Constraints on Axion Mediated Dipole-Dipole Interactions）为题发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
轴子是一种极为重要的假想粒子，当初为了解决强相互作用中的CP破缺问题而提出。1984年，J. E. Moody与Frank Wilczek进一步指出，轴子还可以介导一种新的自旋相关相互作用。这种相互作用具有有限的力程，其大小与轴子质量成反比。由于它不同于标准模型描述的四种基本相互作用力——引力、电磁、强相互作用和弱相互作用，因此被称为“第五种力”。若轴子存在，可能揭示超出标准模型的新物理。
自轴子概念提出以来，全球多个实验项目对其进行了精确搜寻，包括利用天文观测手段。这些研究排除了大范围参数空间，但仍留有一个关键的探测区域，被称为“轴子窗”。经典的轴子窗范围大致在1ueV到1meV之间，对应的力程大约在0.2毫米到20厘米之间。在本实验中，季伟和合作者利用毫米级小型化的电子自旋源和热原子磁强计研究该相互作用。同时，为进一步抑制磁噪声，实验在自旋源与传感器之间设计并实现了多组特殊的磁屏蔽结构，在将漏磁屏蔽7个量级的同时，有效抑制了由屏蔽材料引入的额外噪声。
实验中，自旋源由驱动装置旋转，从而产生交变的第五力信号。如果轴子介导的第五力存在，传感器将捕捉到相应的类磁场效应（图1）。
图1 实验探测原理。软磁环绕硬磁电子自旋源（右侧）被电机驱动起来。经典电磁场（黄色波动线）经多层磁屏蔽层后被极大抑制，但第五力产生的奇异电磁场（绿色波动线）不能被屏蔽。假如第五力存在，原子传感器（左侧）可以感受到其奇异电磁场效应，进而产生可被观测的自旋方向改变
实验结果未观测到预期的第五力信号，但在0.01meV–0.1meV的轴子质量区间内，对电子自旋-中子自旋及电子自旋-质子自旋耦合常数给出了迄今最严格的实验限制。在轴子质量约0.02meV处，较此前结果提升了超过1万倍。
值得一提的是，近期物理学院季伟、刘佳助理教授与合作者还在超轻暗物质的直接探测方面取得了世界领先的结果（成果 | 季伟、刘佳联合课题组与合作者在轴子暗物质研究中取得新进展）。与暗物质探测不同，该第五力实验中，轴子作为力传播的虚粒子存在，不需要假设轴子的局部质量密度，因此无需假设轴子构成宇宙暗物质。
图2 中子自旋-电子自旋耦合强度的实验限制（左），与质子自旋-电子自旋的实验限制（右）。横轴表示轴子质量，反比于新相互作用力程，纵轴为耦合强度
北京航空航天大学博士毕业生徐子童为论文的第一作者。季伟和魏凯为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技创新2030重大专项、核物理与核技术全国重点实验室的支持。
论文原文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.181801
