[发明专利]检验第五种力V4+5

说明书

本发明还公开了一种检验第五种力的基于SERF原子磁场测量装置，包括与光学平台固定连接的原子磁强计模块，所述原子磁强计模块内固定设有激光器，在所述激光器发射的激光路径上依次固定布置有准直透镜、线偏振器、圆偏振器、反射棱镜、原子池机械支撑件和光电管，所述原子池机械支撑件内固定有碱金属原子池，所述原子磁强计模块内固定设有精细调节磁场线圈，所述精细调节磁场线圈外层固定设有磁场线圈，所述原子磁强计模块上侧设有与光学平台固定连接的旋转定位机构，本发明使用的原子池中的K原子提供高密度极化电子的自旋源，且极化电子对形式的第五种力敏感，实验结构简单简化了实验的复杂度。

技术领域

本发明涉及检验第五种力的实验方法和装置技术领域，特别涉及一种检验第五种力的基于SERF原子磁场测量方法及装置。

背景技术

基于SERF原子自旋超高灵敏极弱磁测量装置是当今世界上最灵敏的磁强计之一，其磁场理论灵敏度最高能达到 量级，目前实测最高磁场灵敏度已达到量级。与自旋相关的相互作用利用无量纲的耦合常数来刻画，探测系统越精密，耦合常数的上限就越低。此外，SERF系统使用的是热的碱金属原子，实验手段简单，容易制备，还可以被小型化设计，结构紧凑，成本低廉。

因此，相比较别的物理实验体系，利用量子精密测量的SERF系统来探测第五种力具有巨大的优势，有望在大于m的力程范围内将探测第五种力的灵敏度有量级的提升。

由于形式的第五种力，其相互作用大小与距离呈指数衰减，因此本发明设计了一款SERF联合原子磁强计来缩短原子磁强计中的原子池和晶体之间的距离，大大增强了电子自旋和核自旋相互作用的大小，本发明将为检验超出标准模型的新物理领域提供新的实验手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检验第五种力的基于SERF原子磁场测量方法及装置，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开了一种检验第五种力的基于SERF原子磁场测量方法，包括以下步骤：

S1：将泵浦光路和检测光路共线入射到原子磁强计表头内的碱金属原子池中，使得内部碱金属原子处于SERF态；

S2：在原子磁强计附近放置晶体，利用步进电机控制晶体做旋转运动，使得晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间产生相对运动；

S3：利用原子磁强计探测由于晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间相互作用产生的磁场信号；

S4：通过对测量数据进行数据处理，将微弱的磁场信号从背景噪声中提取出来，获得形式第五种力产生的等效磁场，根据等效磁场对第五种力的相互作用强度系数随着相互作用自由程的变化给出实验测量精度限定范围，从而检验第五种力。

可优选的，所述步骤S2中，碱金属原子池内的电子自旋和晶体内核自旋之间存在的形式第五种力可表示为

；

其中，为相互作用强度系数，是极化粒子的自旋量子数，r是晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间的距离，为相互作用自由程，v是晶体和碱金属原子池的相对运动速度，是普朗克常数，c是真空中光速；

这种新型相互作用会导致碱金属原子池中的极化电子能级移动为

；

其中，是碱金属原子的旋磁比，是第五力产生的等效磁场，是极化粒子的自旋量子数，是普朗克常数。

可优选的，所述步骤S2中，所述晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间相互作用指的是，原子池内所有极化的碱金属原子的电子自旋和晶体内所有核自旋的相互作用总和，晶体的旋转运动速度保持恒定时，晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间相互作用力恒定，当晶体的旋转运动速度周期变化时，第五种力引起的等效磁场也会周期性变化。