先進原子鐘加入暗物質探測大軍

2020-11-16 科技工作者之家



尋找暗物質的時鐘（漫畫圖）。

《物理評論快報》當地時間11月12日發文稱，美國天體物理聯合研究所（JILA）的科學家們使用最先進的原子鐘縮小了暗物質的搜索範圍。

該研究表明，時鐘的功能範圍正在不斷擴展。此前，研究人員曾用微波頻率的原子鐘搜尋過暗物質，而這次是首次使用更高光學頻率的新型原子鐘執行搜索任務。任務還引入了超穩定振蕩器來確保光波穩定，進而使搜尋範圍更加精確。

雖然暗物質仍未被捕獲，研究人員對暗物質搜索的熱情卻並未減退。JILA團隊專注於超輕暗物質研究。

理論上，超輕暗物質質量很小（比電子還小得多），波長很長（可能和矮星系接近）。它可能會對兩個基本物理「常數」造成微小擾動：電子質量和精細結構常數。

JILA團隊使用鍶晶格鍾和氫脈脈澤（一種微波雷射），分別將它們的光學頻率和微波頻率與由純矽單晶製成的超穩定腔中的光共振頻率進行了比較。結果表明，實驗得到的頻率比對常數-時間變化很敏感。

研究人員表示，頻率比和常數的相對波動可以用作傳感器，將暗物質的宇宙學模型與公認的物理理論聯繫起來。

JILA團隊為「正常」波動設定了新下限，超出這一下限的任何不尋常信號都可能是由暗物質發出的。研究人員將超輕暗物質的耦合強度與電子質量和精細結構常數限制在了10-5或更低數量級，這是迄今對該值最精確的測量。

JILA研究員Jun Ye指出，科學家不確定暗物質是由粒子組成，還是由影響局部環境的振蕩場組成。JILA實驗的目的正是探測暗物質對普通物質和電磁場的「牽引」效應。

在最近進行的實驗中，研究人員用改進後的系統整合了來自多個原子鐘的數據，以產生一個單一的、高度精確的計時信號。

隨著原子鐘和光學腔等的發展，研究人員能夠用更高的解析度檢視頻率比，並進一步擴大暗物質的搜索範圍。Ye說：「不論何時，只要光學原子時間尺度得以運行，就有機會確定暗物質的新邊界，甚至發現暗物質。未來，如果我們有機會將這類新系統送入軌道，它們將成為尋找暗物質的最強大『望遠鏡』。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

責編：陳之涵

期刊來源：《物理評論快報》

期刊編號：0031-9007

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