对第五种力的限制：物理学家精确测量原子核振动

今天和大家分享的是《自然物理学》上的一篇论文，它用高分辨率的分子氢离子振动光谱来测试带电重子之间的相互作用。

带电重子是由三个夸克组成的复合粒子，比如质子。夸克之间的相互作用是由强核力介导的，它是四种基本相互作用之一。强核力非常强，以至于夸克几乎不可能被分离出来。但是，有些理论预测，在强核力之外，还存在着一种额外的力，它可以在带电重子之间产生微小的效应。这种力被称为第五种力，它可能与暗物质或暗能量有关。

那么，如何检测第五种力呢？一种方法是利用分子氢离子（H2 或HD ）的振动光谱。分子氢离子是由一个质子和一个氢原子组成的最简单的分子，它的振动频率可以用量子力学精确地计算出来。如果存在第五种力，那么它会导致分子氢离子的振动频率发生微小的偏移。因此，通过测量分子氢离子的振动光谱，并与理论计算进行比较，就可以寻找第五种力的存在或排除其可能性。

我们知道，分子中的原子核和电子之间存在着电磁相互作用，这种相互作用使得分子呈现出一定的形状和距离，比如HD 就是一个线性分子，两个核之间的距离约为0.074纳米。但是，这种形状和距离并不是固定不变的，而是会随着温度和能量的变化而发生微小的波动。这种波动可以用量子力学来描述，它表现出一些离散的能级，就像原子中电子的能级一样。

我们把这些能级分为两类：振动能级和转动能级。振动能级对应于分子中原子核沿着分子轴方向来回拉伸或压缩的运动，转动能级对应于分子绕着分子轴方向旋转的运动。这些能级之间的跃迁可以通过吸收或发射特定频率的光来实现，这就是光谱学的基本原理。

为了实现这一目标，研究人员使用了一种非常先进的激光光谱技术，它可以测量分子氢离子的振动频率，精度达到了10^(-15)级别。这相当于测量地球到月球之间的距离，误差只有几个纳米。他们使用了两种不同类型的分子氢离子：H2 和HD 。H2 是由两个质子和一个电子组成的，而HD 是由一个质子、一个氘核和一个电子组成的。如果存在第五种力，那么它会导致这两种分子氢离子的振动频率有不同程度的偏移，因为它们含有不同数量的中子。

然而，经过仔细地测量和分析，研究人员没有发现任何第五种力的迹象。他们得到了一个非常严格的限制：如果第五种力存在，那么它对带电重子之间距离为1纳米时产生的作用力必须小于10^(-30)牛顿。这相当于两个苹果之间产生的万有引力的百万分之一，这个结果与量子电动力学预测的完全一致。