用光原子鐘探測(cè)暗物質(zhì)：一項(xiàng)突破性的實(shí)驗(yàn)

暗物質(zhì)是宇宙中最神秘的成分之一，它占據(jù)了宇宙物質(zhì)的大部分，但卻很難被直接探測(cè)到。目前，有許多理論模型試圖解釋暗物質(zhì)的本質(zhì)，其中一種可能性是暗物質(zhì)由超輕的玻色子組成。這些玻色子可以與普通物質(zhì)的某些性質(zhì)產(chǎn)生微弱的相互作用，例如電磁相互作用。如果暗物質(zhì)與光子有標(biāo)量耦合，那么它會(huì)導(dǎo)致基本物理常數(shù)之一——精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)——隨時(shí)間或空間發(fā)生振蕩。

精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是描述電磁相互作用強(qiáng)度的無量綱常數(shù)，它決定了原子和分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷頻率。因此，如果精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)發(fā)生變化，那么最先感知到的就是高精度的光原子鐘，它們可以測(cè)量不同原子或同種原子不同躍遷之間的頻率比。這些頻率比應(yīng)該是恒定不變的，除非有新的物理機(jī)制干擾了它們。

德國布倫瑞克的物理技術(shù)聯(lián)邦研究所（PTB）的一組科學(xué)家利用兩種光原子鐘進(jìn)行了長(zhǎng)期的頻率比測(cè)量，以尋找精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)振蕩的跡象。他們?cè)谧罱l(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的論文中報(bào)告了他們的結(jié)果，并給出了暗物質(zhì)與光子耦合強(qiáng)度的新限制。

他們使用的兩種光原子鐘分別是基于釔（Yb）單離子和鍶（Sr）原子晶格的鐘。釔單離子鐘利用了釔離子內(nèi)部的兩種電偶極（E2）躍遷和一種電八極（E3）躍遷，它們分別對(duì)應(yīng)于不同的頻率νE2和νE3。鍶原子晶格鐘利用了鍶原子內(nèi)部的一種電偶極躍遷，對(duì)應(yīng)于頻率νSr。這些躍遷都涉及到釔或鍶原子核外層的一個(gè)電子，因此它們都受到精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α的影響。如果α發(fā)生變化，那么這些躍遷頻率也會(huì)隨之變化，從而導(dǎo)致頻率比νE3/νE2和νE3/νSr發(fā)生變化。

科學(xué)家們通過交替地 interrogating 兩種釔離子躍遷來測(cè)量第一個(gè)頻率比，并通過將釔單離子鐘與鍶原子晶格鐘進(jìn)行比較來測(cè)量第二個(gè)頻率比。他們對(duì)這兩個(gè)頻率比進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)兩年多的連續(xù)測(cè)量，并用傅里葉變換分析了它們的振蕩模式。他們沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯的振蕩信號(hào)，這意味著精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)在測(cè)量期間保持穩(wěn)定，或者其變化幅度低于光原子鐘的靈敏度。

基于這一結(jié)果，科學(xué)家們給出了暗物質(zhì)與光子耦合強(qiáng)度的新限制，對(duì)于暗物質(zhì)質(zhì)量在10-23到10-18電子伏特（eV）范圍內(nèi)的超輕玻色子，他們的限制比以前的研究提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。他們還利用νE3/νE2的重復(fù)測(cè)量，改進(jìn)了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的線性漂移和其與引力的耦合的現(xiàn)有限制。

這項(xiàng)研究展示了光原子鐘在探索新物理現(xiàn)象方面的巨大潛力，它們不僅可以提供對(duì)基本常數(shù)的精確測(cè)量，還可以對(duì)暗物質(zhì)等難以察覺的宇宙成分進(jìn)行敏感的探測(cè)。未來，隨著光原子鐘技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和多種原子鐘之間的比較，可能會(huì)揭示更多有關(guān)暗物質(zhì)性質(zhì)和行為的信息。