????近日，中國科學(xué)院高能物理研究所（IHEP）的高宇副研究員、徐偉研究員、張華橋研究員提出了一種創(chuàng)新的方法，利用高精度穆斯堡爾共振效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)引力波的探測。該項(xiàng)研究成果已發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》（2024年第69卷第18期）上。
“我們意識到局部引力場是能量校準(zhǔn)的極佳工具，尤其在研究引力頻移時(shí)具有特殊的優(yōu)勢，”高宇和張華橋解釋道。該理念源于利用核技術(shù)探測引力波對光子能量位移的討論。
現(xiàn)代粒子物理探測器具有卓越的空間和時(shí)間分辨率，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測穆斯堡爾共振的位置。論文中還提出了一種創(chuàng)新的探測器布局，探測器環(huán)繞激活的銀源呈圓形排列，這種設(shè)計(jì)不僅提高了對引力波強(qiáng)度的靈敏度，還增強(qiáng)了對其傳播方向和極化角度的探測能力。
“穆斯堡爾光譜學(xué)憑借其無與倫比的精度，已經(jīng)成為多個(gè)研究領(lǐng)域的重要工具，” 高能物理研究所徐偉研究員表示，“結(jié)合新的探測方案，我們的目標(biāo)是在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想。”
穆斯堡爾效應(yīng)是指被晶格緊束縛的原子核發(fā)生無反沖發(fā)射和吸收X射線光子的現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)曾獲得1961年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以極高測量精度著稱。穆斯堡爾效應(yīng)最早用于著名的哈佛塔實(shí)驗(yàn)，測試引力紅移，隨后廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域，最終發(fā)展成穆斯堡爾光譜學(xué)這一學(xué)科方向。
當(dāng)引力波通過在本文中提出的靜態(tài)穆斯堡爾裝置時(shí)，它會引起穆斯堡爾光子的能量波動。在局部引力場的影響下，這些波動會導(dǎo)致共振點(diǎn)的垂直位移。由垂直位移引起的引力頻移可以取代傳統(tǒng)差分穆斯堡爾光譜儀中的多普勒頻移。對于自然豐度較高的銀同位素109Ag，其相對線寬可達(dá)到10-22。這種方法通過實(shí)現(xiàn)10微米精度空間分辨觀測穆斯堡爾共振，可達(dá)到極高的探測精度。研究人員的計(jì)算顯示，通過對共振點(diǎn)的高空間分辨，可探測由時(shí)空振動引起的隨時(shí)間變化的光子能量波動，捕獲引力波傳播方向和極化狀態(tài)等關(guān)鍵物理特征，能夠顯著提高對引力波的靈敏度。
引力波是一種時(shí)空曲率的波動，是由愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言的一種現(xiàn)象。根據(jù)廣義相對論，引力并不是一種傳統(tǒng)意義上的力，而是由于質(zhì)量和能量使得時(shí)空發(fā)生彎曲所導(dǎo)致的。引力波則是這種時(shí)空彎曲的動態(tài)變化，以波的形式在宇宙中傳播。2015年，激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次直接探測到來自于兩個(gè)黑洞合并事件的引力波，該項(xiàng)成果獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
靜態(tài)穆斯堡爾測量布局的示意圖。
環(huán)繞在穆斯堡爾源相同距離 d 上的探測器能夠感知穆斯堡爾共振點(diǎn)的垂直位移。在子圖(右下角)中，探測器被放置在吸收層(紅色表示)后面。該裝置通過精確測量相應(yīng)的光子通量來監(jiān)測核共振峰的高度變化。
研究詳情請見原文：
A M?ssbauer scheme to probe gravitational waves （Bulletin 2024;69(18)）
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927324005346
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