微米间距一种自旋相关的新相互作用的实验检验

The theories beyond the Standard Model usually predict new particles as well as new interactions. Axion-like particles are one kind of such particles that physicist are searching for intensely. The current proposed project intends to test the exotic spin-dependent interactions mediated by axion-like particles. We plan to use a cantilever to measure the force between an unpolarized gold microsphere and a spin-polarized magnetic structure. The experiment will search for the exotic interaction (other than the normal electromagnetic force) between the electron spins in magnetic material and the nucleons in the gold sphere. We will adopt a spin-polarization-direction modulation to modulate the signal to higher harmonics, so that to avoid the spurious signal. By differential measurement at two different spin-polarized states, spin-independent spurious signal will be common-mode reduced. The separation between the gold sphere and the magnetic structure will be around 2 micrometer and the force sensitivity will be better than 1 fN. The expected result will be two order of magnitude improved than the current status of the experimental test of this kind of interaction.

超越粒子物理标准模型的理论通常预言新的粒子和新的相互作用的存在，类轴子粒子是目前广泛关注的粒子之一。本项目拟检验由类轴子粒子传递的自旋相关的新相互作用，拟采用悬臂梁测量非自旋极化的金球与电子自旋极化的磁结构间的作用力，将检验磁结构中电子自旋与金球中核子间可能存在的自旋相关的新相互作用。项目拟采用电子自旋极化方向调制的实验方案，将待测信号调制到高倍频，在频域中将待测信号与干扰分离，并通过在两种自旋取向状态下差分测量消除与自旋无关的干扰信号。实验预计检验间距为2微米，弱力测量水平小于1 fN，预期检验结果比当前国际最好水平提高2个数量级。

寻找超越粒子物理标准模型的新物理，探测新的基本粒子和新相互作用是当今物理学的重要研究方向。利用精密测量技术对低能区新相互作用进行探测可与人们熟知的高能区粒子对撞实验（如LHC）形成有益的互补，也有望对天体物理和宇宙学中暗物质谜团进行探究。. 本项目主要针对由轴子传递的自旋—质量新相互作用进行了探测研究，提出了基于多孔氧化铝Ni纳米柱阵列的悬臂梁力学探测方案，开展了粘接金微球的悬臂梁探针制备研究，以及Si基片上制备多孔氧化铝Ni纳米柱阵列的研究。提出了基于NdFeB铁磁微球探针的探测方案并完成实验，给出了对该相互作用耦合常数的限制。在λ=6 μm时，该结果比项目申请时的国际最好水平提高了约50倍。此外，项目开展了针对由Z'粒子传递的两项与速度有关的新相互作用进行了探测研究，并使用力学方法独立给出了对这两项新相互作用的限制，在400 μm以下作用程对核子-电子间其中一项新相互作用给出了迄今最强的限制。项目也提出了基于功能化悬臂梁探测轴子或Z'粒子传递的自旋—自旋新相互作用的探测方案，预期对两种新相互作用的探测精度比当前国际最好水平分别提高约1个数量级和7个数量级。. 项目基于悬臂梁的力学测量方法对多种自旋新相互作用进行了探测研究，排除了一些新相互作用或其媒介粒子可能存在的参数空间，为人们对基本相互作用和基本粒子的认识提供了新的信息。由于有些粒子可能是暗物质粒子的候选者，因此也对暗物质粒子的参数空间进行了限制，具有重要意义。