[论文解读] Exploring the possibility of detecting dark energy in a terrestrial experiment using atom interferometry

M. L. Perl, Holger Mueller|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2010

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一项地面实验，利用原子干涉测量法直接探测暗能量，通过测量由暗能量密度空间梯度引起的假设作用力。通过采用双干涉仪装置，将引力效应抑制至10^{-17}g，该方法旨在隔离非均匀暗能量的信号，为引力与电磁力之外的弱长程场提供一种新颖探测手段。

ABSTRACT

The majority of astronomers and physicists accept the reality of dark energy but also believe it can only be studied indirectly through observation of the motions of galaxies. This paper opens the experimental question of whether it is possible to directly detect dark energy on earth using atom interferometry through a force hypothetically caused by a gradient in the dark energy density. Our proposed experimental design is outlined. The possibility of detecting other weak fields is briefly discussed.

研究动机与目标

• 探究在实验室环境中利用原子干涉测量法直接探测暗能量的可行性。
• 解决由于等效原理导致标准引力测量无法感知均匀暗能量密度这一挑战。
• 设计一种能够以极高精度消除引力信号的实验，从而探测假设的暗能量作用力。
• 探讨暗能量是否可能在引力之外产生作用力，特别是当其在地球尺度上表现出空间非均匀性时。
• 建立一个通用框架，利用高精度量子测量探测自然界中未知的弱场。

提出的方法

• 利用两个相同的原子干涉仪，通过差分测量方式抵消均匀重力加速度（g）的影响。
• 利用原子波函数的相位移，其取决于每个干涉仪中两条空间路径上势差的积分。
• 采用双干涉仪设计，使信号差值 U = T₁ - T₂ 抵消主要的 g 贡献，将引力抑制至10^{-17}g。
• 采用喷泉式干涉仪构型，如先前实验所示，实现对引力低于10^{-10}g的灵敏度，并进一步将 g 抑制至10^{-17}g。
• 通过测量在米尺度基线上由暗能量密度空间梯度引起的残余相位差，探测假设的暗能量作用力。
• 假设任何暗能量作用力都会表现为差分信号 U 的偏离，其大小与暗能量势的梯度成正比。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗能量密度的空间梯度是否能在地面实验中对物质产生可测量的作用力？
• RQ2 是否可能将主导的引力信号抑制至足够低的水平，从而探测到假设的暗能量作用力？
• RQ3 在当前实验精度下，需要达到何种灵敏度才能将暗能量作用力与已知作用力区分开来？
• RQ4 等效原理如何限制暗能量的探测？能否通过差分干涉测量实现突破？
• RQ5 该实验方法是否可作为探测自然界其他未知弱场的一般性探针？

主要发现

• 该实验设计可将重力加速度（g）的抑制精度达到10^{-17}g，从而实现对极弱附加作用力的探测。
• 假设的暗能量作用力必须小于10^{-8} m/s²，才能与当前原子干涉测量实验的零结果一致。
• 暗能量的能量密度（6.3×10^{-10} J/m³）与弱电场（如1 V/m）的能量密度相当，而后者在实验室中可常规测量，表明直接探测在技术上是可行的。
• 双干涉仪结构可抵消均匀重力场，从而隔离来自非均匀场（如空间变化的暗能量密度）的信号。
• 该方法具有普适性，可探测除暗能量外的其他未知弱作用力，只要它们在干涉仪两臂间引起差分相位移。
• 在10^{-8} m/s²水平上未发现暗能量作用力的证据，为该力的强度在模型假设下设定了上限。