【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院高能物理研究所(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新的方法，利用高精度穆斯堡爾共振效應來實現引力波的探測。該項研究成果已發表在《科學通報》(2024年第69卷第18期)上。
“我們意識到局部引力場是能量校準的極佳工具，尤其在研究引力頻移時具有特殊的優勢，”高宇和張華橋解釋道。該理念源于利用核技術探測引力波對光子能量位移的討論。
現代粒子物理探測器具有卓越的空間和時間分辨率，能夠實時監測穆斯堡爾共振的位置。論文中還提出了一種創新的探測器布局，探測器環繞激活的銀源呈圓形排列，這種設計不僅提高了對引力波強度的靈敏度，還增強了對其傳播方向和極化角度的探測能力。
“穆斯堡爾光譜學憑借其無與倫比的精度，已經成為多個研究領域的重要工具，” 高能物理研究所徐偉研究員表示，“結合新的探測方案，我們的目標是在現代實驗室中實現這一構想。”
穆斯堡爾效應是指被晶格緊束縛的原子核發生無反沖發射和吸收X射線光子的現象。這一發現曾獲得1961年諾貝爾物理學獎，以極高測量精度著稱。穆斯堡爾效應最早用于著名的哈佛塔實驗，測試引力紅移，隨后廣泛應用于材料科學、化學等領域，最終發展成穆斯堡爾光譜學這一學科方向。
當引力波通過在本文中提出的靜態穆斯堡爾裝置時，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，這些波動會導致共振點的垂直位移。由垂直位移引起的引力頻移可以取代傳統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，其相對線寬可達到10-22。這種方法通過實現10微米精度空間分辨觀測穆斯堡爾共振，可達到極高的探測精度。研究人員的計算顯示，通過對共振點的高空間分辨，可探測由時空振動引起的隨時間變化的光子能量波動，捕獲引力波傳播方向和極化狀態等關鍵物理特征，能夠顯著提高對引力波的靈敏度。
引力波是一種時空曲率的波動，是由愛因斯坦的廣義相對論預言的一種現象。根據廣義相對論，引力并不是一種傳統意義上的力，而是由于質量和能量使得時空發生彎曲所導致的。引力波則是這種時空彎曲的動態變化，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黑洞合并事件的引力波，該項成果獲得2017年諾貝爾物理學獎。
環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的光子通量來監測核共振峰的高度變化。
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