image: 放置在距离源头相同距离 d 处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，一个探测器被放置在吸收层（红色表示）后面。该配置允许探测器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。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
来自中国科学院高能物理研究所（IHEP）的研究人员提出了一种创新的方法，利用高精度穆斯堡尔共振效应实现引力波的探测。他们的研究成果近日发表在《科学通报》（2024年第69卷第18期）上，提出了一种引力波研究的新路径。就像蛙眼对运动具有极高的敏感度，本文提出的静态穆斯堡尔装置具有极高的灵敏度，可探测由时空振动引起的时间变化和能量位移，捕获引力波传播方向和极化状态等关键物理特征。
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，平分一半奖金，并以极高精度著称。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，并发展成穆斯堡尔光谱学的学科方向。
文中，高能物理研究所研究人员提出了一种静态穆斯堡尔装置的概念设计，在该装置中，由高度变化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，展现了极高的探测精度。
“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，”IHEP的高宇教授和张华桥教授解释道。该理念源于关于利用核系统探测引力波背景下光子能量位移潜力的讨论。
当引力波通过时，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。研究人员的计算显示，通过对共振点的高空间分辨，能够显著提高对引力波的灵敏度。
“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教授表示，“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。”
现代高能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。
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
Journal
Science Bulletin