粒子物理学的标准模型是科学中经过最精确检验的框架之一，但它并不完整。它无法解释暗物质、暗能量，以及宇宙中物质为何比反物质占优势。一种主要可能性是存在新粒子,轴子、Z’玻色子、暗光子,它们介导着超越标准模型的力。挑战在于，这些粒子即使存在，它们与普通物质的相互作用也极其微弱，因而一直未被探测到。
现在，阿默斯特学院和基恩州立学院的一个物理学家团队对这些奇异相互作用的某些类别设定了迄今为止最严格的约束，将以前的极限提升了17倍。
转台上的共磁力计
这项由阿默斯特学院拉里·R·亨特研究小组领导的实验，使用一台¹⁹⁹Hg–¹³³Cs共磁力计，这种装置可以同时测量同一磁场中两种不同原子种类的进动。通过比较汞（其进动对核自旋敏感）和铯（其进动对电子自旋敏感）的行为，该团队能够分离出与这两种原子耦合方式不同的任何自旋依赖力。
该装置由三个堆叠的蒸气室组成：一个装有¹⁹⁹Hg蒸气，两侧各有一个装有¹³³Cs的蒸气室。1 μT的磁场使汞的进动频率约为7 Hz，铯的进动频率约为3.5 kHz，500倍的差异意味着铯每120个周期对应汞的一个周期，从而提供任何差分自旋信号的连续高分辨率读数。
关键的创新在于将整个共磁力计安装在一个可重复性达0.004度的精密旋转平台上。地球本身作为自旋源：该团队利用地幔和地壳中电子的净极化,沿旋转轴估计有5 × 10³⁸个或更多排列的电子,作为一个巨大的天然极化自旋源。通过将装置在南北方向和东西方向之间旋转，任何奇异的自旋-自旋相互作用都会以可预测的模式调制进动频率。
数据
实验在两种取向上采用盲分析（在揭盲前施加随机偏移），并考虑了13个局部和5个全局系统校正后，团队得到了零结果,信号在所有取向上与零一致。这些零结果转化为奇异自旋依赖力耦合常数的上限。
在南北方向上，团队对差分进动信号实现了72 nHz的频率界限。对任何总自旋依赖耦合的相应能量界限为7.49 × 10⁻²³ eV。
最严格的限制结果将电子-中子轴矢量耦合常数设为上限|g_A^e g_A^n| ≤ 3.0 × 10⁻⁴⁸，比电子与中子之间的引力相互作用弱约1700万倍。对于电子-质子轴矢量耦合，界限为|g_A^e g_A^p| ≤ 3.0 × 10⁻⁴⁷。
对于质量低于约10⁻¹² eV（对应于超过1 km的相互作用范围）的情况，这是有史以来最好的实验极限。
这对暗物质和新物理学的意义
这项实验所约束的奇异粒子涵盖了广泛的暗物质候选者：
- 轴子和轴子类似粒子（ALPs）：由强CP问题的解决方案预测，是主要的暗物质候选者，通过它们与电子和核子的轴-轴耦合受到约束。
- Z’玻色子和暗光子：新U(1)规范对称性的假设力的载体，通过它们的轴-矢量耦合受到约束。
- 挠率引力模型：广义相对论的扩展，引入了自旋依赖的引力耦合。
这项实验并没有完全排除这些粒子，而是缩小了允许的参数空间。对于每个候选者，可能的耦合常数范围与之前的最佳测量相比大约缩小了一个数量级。
方法论的重要性
几项实验进展促成了与先前最高水平（包括同一团队2013年的《科学》论文）相比17倍的提升。该团队采用了自由进动几何结构以抑制来自泵浦激光器的矢量AC光移，四层μ金属磁屏蔽提供约300万倍的衰减，用于方向控制的精密旋转平台，以及包含18个独立校正的彻底系统特性分析。
盲分析协议在大型设施的粒子物理学中是标准做法，但在台式精密实验中不太常见，它增加了无意识实验偏差未影响结果的信心。
资金由NSF拨款PHY-2110523提供。该论文于2026年6月30日提交至arXiv。
来源
Clayburn, N.B., Glassford, A., Uelmen, T., Kyung, A.R., Boneva, Y., Salim, S., Weiss, A.S., Waldherr, F., Carlin, C., Peck, S.K., and Hunter, L.R. “New Bounds on Exotic Long-Range Spin-Spin Interactions.” arXiv:2607.00200 physics.atom-ph] (2026). [https://arxiv.org/abs/2607.00200
婷 翻译