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Universe：实验室与太阳系中的屏蔽标量场

已有 182 次阅读 2026-1-15 19:07 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

根据标准宇宙学模型，暗能量与暗物质占据了宇宙中95%以上的部分，但仍然是现代物理未解的谜题之一。近年来，一类被称为屏蔽标量场 (Screened Scalar Fields) 的理论模型备受关注，它们可被视为解释暗能量与暗物质的候选模型。来自维也纳工业大学的Hauke Fischer等人在 Universe 期刊发表的文章，聚焦三种最具代表性的屏蔽标量场模型：chameleon、symmetron与environment-dependent dilaton模型，并综合qBOUNCE引力共振谱实验、中子干涉仪实验与月球激光测距 (LLR) 等多项实验结果，给出了目前针对上述三类屏蔽标量场模型的最新参数约束。

研究内容与结果

在标量-张量理论中，标量场与物质之间的普适耦合将引入一种新的自然界基本相互作用——第五力 (the fifth fundamental force of Nature)，而这类效应在太阳系尺度受到严格的实验限制。屏蔽机制为规避这些限制提供了途径：在与太阳系相当密度的物质环境中，标量第五力被有效削弱；而在物质密度较低的环境中，例如星系或星系团边缘区域，屏蔽机制则可能使第五力的强度甚至超过引力。因此，标量第五力在这些尺度上可能引发可观测现象，并在某些情形下被视为粒子暗物质的潜在替代解释。

在多种包含屏蔽机制的标量场模型，即所谓的屏蔽标量场中，较为典型的包括chameleon模型、symmetron模型、environment-dependent dilaton模型。其中，chameleon模型依赖势能与耦合函数随密度变化而改变有效质量，symmetron模型通过局域对称性的恢复和破缺调节耦合强度，而environment-dependent dilaton模型则同时存在Damour–Polyakov机制与部分参数区间的chameleon效应。

研究团队更新了qBOUNCE实验对symmetron与chameleon模型的约束结果。以往分析假设真空密度为理想值ρ_v = 0，仅采用微扰理论计算屏蔽标量场对处于引力场中反弹中子的能级修正，并忽略了symmetron场即使在中子反射镜内部也处于对称性破缺相的参数区域。该研究采用了实验中真实的残余气体密度ρ_v = 2.32 ×10^-7 kg/m³，并在微扰理论失效的参数区域中引入了非微扰的数值计算方法。

这三类模型的最新约束结果显示，qBOUNCE对短程标量相互作用较为敏感，其对symmetron模型的约束在采用非微扰数值解后得到显著增强，可将可探测范围从传统微扰理论预测的μ = 10 eV进一步拓展至μ = 0.1 MeV。中子干涉仪通过空气腔与真空腔之间的相位差比较，对三类模型均给出了有效限制，其中对chameleon场的耦合强度与排除带扩展至此前研究未覆盖的参数区间。LLR则对远程第五力尤为敏感，其对地月系统等效原理偏差的测量使environment-dependent dilaton模型在大范围参数区间内受到严格限制。综合全部数据后，该研究给出了完整的三类屏蔽标量场参数空间约束图，多项结果相较以往研究提升了数个数量级。此外，对即将开展的C_ANNEX实验 (Casimir and Non-Newtonian force Experiment) 进行了前瞻性预测，显示其在微米至毫米尺度对三类模型均具潜在强约束能力，有望成为未来的关键实验平台。

图1. 展示了不同实验 (qBOUNCE、Atom/Neutron interferometry、Eöt-Wash、Electron/Muonium、Hydrogen以及预测的C_ANNEX实验) 在不同特征质量μ取值下，symmetron模型参数空间所受到的约束。不同颜色区域代表不同实验可探测到的约束强度，阴影区域为已排除的参数空间。(图源自原文Figure 2)

总结与展望

该研究系统总结了当前实验物理对三类典型屏蔽标量场模型的最新实验参数约束，另外还对以往获得的部分约束结果进行了多项改进。这些修正使得新的约束结果相较此前研究出现了数量级的差异。未来，高灵敏度短程力实验 (如C_ANNEX)、量子技术辅助的精密测量，以及更精确的天体测距观测，有望继续压缩屏蔽标量场参数空间，使我们更接近理解暗能量的真实物理机理。宇宙学与量子实验之间的交叉研究将持续发展，而屏蔽标量场作为连接实验室与宇宙深处的一类模型，仍将是未来数年的重要研究方向之一。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2870456