利用光學(xué)原子鐘研究暗物質(zhì)的相互作用

1 / 1為了尋找暗物質(zhì)，對(duì)三個(gè)原子鐘進(jìn)行了比較：兩個(gè)時(shí)鐘使用存儲(chǔ)在離子阱中的單個(gè)離子（左），第三個(gè)原子鐘使用光學(xué)晶格中約1000個(gè)中性原子（右）。資料來源：PTB

暗物質(zhì)能否與光子相互作用并影響原子結(jié)構(gòu)？光學(xué)原子鐘的一個(gè)案例：在合作研究中心DQ-mat和卓越集群QuantumFrontiers的范圍內(nèi)，聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（PTB）對(duì)兩種不同類型的此類時(shí)鐘進(jìn)行了比較。這是迄今為止對(duì)超輕暗物質(zhì)與光子相互作用的最精確搜索。

通過這項(xiàng)工作，現(xiàn)有的可能耦合的探測(cè)極限被提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上--在廣泛的暗物質(zhì)粒子質(zhì)量范圍內(nèi)。雖然沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)耦合的證據(jù)，但這項(xiàng)工作使我們更接近于了解暗物質(zhì)的性質(zhì)和潛在的相互作用。調(diào)查結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在本期的《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

天文觀測(cè)表明存在所謂的 "暗物質(zhì)"，它占所有物質(zhì)的80%以上，據(jù)我們所知，它只通過引力與普通可見物質(zhì)相互作用。特別是，與光子（光是由基本粒子組成的）的相互作用還沒有得到證實(shí)--因此這種類型的物質(zhì)被稱為 "暗"。暗物質(zhì)是由什么構(gòu)成的，以及是否與傳統(tǒng)物質(zhì)存在著未知的相互作用，這仍然是一個(gè)巨大的謎。

一個(gè)特別有希望的理論方法暗示，暗物質(zhì)可能由極輕的粒子組成，其行為更像波而不是單個(gè)粒子：所謂的 "超輕 "暗物質(zhì)。在這種情況下，以前未被發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)與光子的弱相互作用將導(dǎo)致細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的微弱振蕩。

精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是描述電磁作用強(qiáng)度的自然常數(shù)。它決定了原子的能量尺度，從而影響了作為原子鐘參考的過渡頻率。由于不同的過渡對(duì)常數(shù)的可能變化有不同程度的敏感，所以原子鐘的比較可以用來尋找超輕的暗物質(zhì)。為此，PTB的研究人員現(xiàn)在使用了一種原子鐘，這種原子鐘對(duì)這種搜索中細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的可能變化特別敏感。

為此，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的測(cè)量中，這個(gè)敏感的原子鐘與其他兩個(gè)敏感度較低的原子鐘進(jìn)行了比較。由此產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)被調(diào)查為振蕩，這是超輕暗物質(zhì)的標(biāo)志。由于沒有發(fā)現(xiàn)明顯的振蕩，即使在更仔細(xì)的檢查下，暗物質(zhì)仍然是 "黑暗的"。因此，對(duì)神秘暗物質(zhì)的探測(cè)并沒有實(shí)現(xiàn)。由于沒有信號(hào)，我們得以確定超輕物質(zhì)與光子可能的耦合強(qiáng)度的新的實(shí)驗(yàn)上限。以前的極限在很大范圍內(nèi)被提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

同時(shí)，研究人員還研究了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是否會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，例如，非常緩慢地增加或減少。在數(shù)據(jù)中沒有發(fā)現(xiàn)這樣的變化。在這里，現(xiàn)有的限制也被收緊了，表明常數(shù)即使在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)也保持不變。

與以前每個(gè)原子鐘都需要自己的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)鐘比較不同，在這項(xiàng)工作中，三個(gè)原子鐘中的兩個(gè)在一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)現(xiàn)。為此，我們使用了一個(gè)單一被困離子的兩個(gè)不同的過渡頻率：離子在兩個(gè)光轉(zhuǎn)變上被交替詢問。這是朝著使光學(xué)頻率比較更加緊湊和強(qiáng)大的方向邁出的重要一步--例如，用于未來搜索太空中的暗物質(zhì)。

參考資料

M. Filzinger et al, Improved limits on the coupling of ultralight bosonic dark matter to photons from optical atomic clock comparisons,Physical Review Letters(2023).DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.253001. OnarXiv:DOI: 10.48550/arxiv.2301.03433

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