近日，中国科学院高能物理研究所（IHEP）的高宇副研究员、徐伟研究员、张华桥研究员提出了一种创新的方法，利用高精度穆斯堡尔共振效应来实现引力波的探测。该项研究成果已发表在《科学通报》（2024年第69卷第18期）上。
“我们意识到局部引力场是能量校准的极佳工具，尤其在研究引力频移时具有特殊的优势，”高宇和张华桥解释道。该理念源于利用核技术探测引力波对光子能量位移的讨论。
现代粒子物理探测器具有卓越的空间和时间分辨率，能够实时监测穆斯堡尔共振的位置。论文中还提出了一种创新的探测器布局，探测器环绕激活的银源呈圆形排列，这种设计不仅提高了对引力波强度的灵敏度，还增强了对其传播方向和极化角度的探测能力。
“穆斯堡尔光谱学凭借其无与伦比的精度，已经成为多个研究领域的重要工具，” 高能物理研究所徐伟研究员表示，“结合新的探测方案，我们的目标是在现代实验室中实现这一构想。”
穆斯堡尔效应是指被晶格紧束缚的原子核发生无反冲发射和吸收X射线光子的现象。这一发现曾获得1961年诺贝尔物理学奖，以极高测量精度著称。穆斯堡尔效应最早用于著名的哈佛塔实验，测试引力红移，随后广泛应用于材料科学、化学等领域，最终发展成穆斯堡尔光谱学这一学科方向。
当引力波通过在本文中提出的静态穆斯堡尔装置时，它会引起穆斯堡尔光子的能量波动。在局部引力场的影响下，这些波动会导致共振点的垂直位移。由垂直位移引起的引力频移可以取代传统差分穆斯堡尔光谱仪中的多普勒频移。对于自然丰度较高的银同位素109Ag，其相对线宽可达到10-22。这种方法通过实现10微米精度空间分辨观测穆斯堡尔共振，可达到极高的探测精度。研究人员的计算显示，通过对共振点的高空间分辨，可探测由时空振动引起的随时间变化的光子能量波动，捕获引力波传播方向和极化状态等关键物理特征，能够显著提高对引力波的灵敏度。
引力波是一种时空曲率的波动，是由爱因斯坦的广义相对论预言的一种现象。根据广义相对论，引力并不是一种传统意义上的力，而是由于质量和能量使得时空发生弯曲所导致的。引力波则是这种时空弯曲的动态变化，以波的形式在宇宙中传播。2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次直接探测到来自于两个黑洞合并事件的引力波，该项成果获得2017年诺贝尔物理学奖。
静态穆斯堡尔测量布局的示意图。
环绕在穆斯堡尔源相同距离 d 上的探测器能够感知穆斯堡尔共振点的垂直位移。在子图(右下角)中，探测器被放置在吸收层(红色表示)后面。该装置通过精确测量相应的光子通量来监测核共振峰的高度变化。
研究详情请见原文：
A Mössbauer scheme to probe gravitational waves （Bulletin 2024;69(18)）
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927324005346
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