可以揭开暗物质面纱的核钟
近一个世纪以来，世界各地的科学家一直在寻找暗物质——一种看不见的物质，据信约占宇宙质量的 80%，需要解释各种物理现象。 人们已经使用了许多方法来探测暗物质，从试图在粒子加速器中产生暗物质到寻找它可能在太空中发射的宇宙辐射。 然而，即使在今天，人们对这种物质的基本特性知之甚少。 虽然暗物质在后台运行，被认为会影响可见物质，但其方式非常微妙，目前无法直接测量。 科学家们认为，如果开发出一种核钟——一种使用原子核以极高的精度测量时间的核钟——即使是其滴答作响中最微小的不规则现象也可能揭示暗物质的影响。 去年，德国和科罗拉多州的物理学家在利用放射性元素制造这种时钟方面取得了突破钍-229。 当研究人员在教授时。 魏茨曼科学研究所的吉拉德·佩雷斯 （Gilad Perez） 的理论物理小组得知了这一成就，他们认识到了一个新的机会，可以推进对暗物质的探索，甚至在功能齐全的核钟成为现实之前。 他们最近与德国团队合作，发表了一项研究物理评论X提出了一种检测暗物质对钍229原子核性质影响的新方法。 就像推动一个秋千上的孩子需要正确的时机来保持平稳、一致的运动，原子核还具有最佳振荡频率，在物理学中称为共振频率。 恰好这个频率的辐射会导致原子核像钟摆一样在两个量子态之间“摆动”：基态和高能态。 在大多数材料中，这种共振频率很高，需要强烈的辐射来激发原子核。 但在 1976 年，科学家们发现钍 229，美国核计划的副产品，是一个罕见的例外。 它的固有共振频率足够低，可以使用相对较弱的紫外线辐射通过标准激光技术进行纵。 这使得钍 229 成为开发核钟的有前途的候选者，其中时间是通过原子核在量子态之间“摆动”来测量的，就像传统钟钟中的钟摆一样。 “核钟将是终极探测器——能够感应 10 万亿的力比重力弱几倍，分辨率是当今暗物质搜索的 100,000 倍“ 然而，核钟的进展在第一阶段就停滞不前，当时科学家们试图以最高精度测量钍 229 的共振频率。 为了确定原子核的共振频率，物理学家以不同的频率向原子核发射激光，并观察它在量子态之间转换时吸收或发射多少能量。 根据这些结果，他们构造了一个吸收谱，将引起峰值吸收的频率作为原子核的共振频率。 近五十年来，科学家们一直无法以足够的精度测量钍 229 的共振频率来建造核钟，但去年带来了两项重大进展。 首先，德国国家计量研究所 （PTB） 的一个小组发表了相对准确的测量结果。 几个月后，科罗拉多大学的一个团队发布了结果，结果是精确数百万倍。 “我们仍然需要更高的精度来开发核钟，”佩雷斯说，“但我们已经找到了研究暗物质的机会。 他解释说：“在一个仅由可见物质组成的宇宙中，任何物质的物理条件和吸收光谱都将保持不变。 但由于暗物质围绕着我们，其波状性质可以微妙地改变原子核的质量，并导致其吸收光谱暂时发生变化。我们假设，能够非常精确地检测钍 229 吸收光谱中的微小偏差，可以揭示暗物质的影响，并帮助我们研究其特性。 由博士领导的团队进行的理论计算。 佩雷斯小组的沃尔夫拉姆·拉辛格 （Wolfram Ratzinger） 和其他博士后研究员表明，新的测量结果可以检测到暗物质的影响，即使它比重力弱 1 亿倍，而重力本身就很弱，很少交叉我们在日常生活中的思想。 “这是一个还没有人寻找暗物质的区域，”拉辛格说。 “我们的计算表明，仅仅搜索共振频率的变化是不够的。 我们需要识别整个吸收光谱的变化，以检测暗物质的影响。 虽然我们还没有发现这些变化，但我们已经为了解它们确实出现时奠定了基础。 一旦我们检测到偏差，我们将能够使用其强度和频率它似乎计算了负责的暗物质粒子的质量。 在研究的后期，我们还计算了不同的暗物质模型将如何影响钍 229 的吸收光谱。 我们希望这最终将有助于确定哪些模型是准确的，以及暗物质实际上是由什么构成的。 与此同时，世界各地的实验室正在继续完善钍 229 共振频率的测量，这一过程预计需要数年时间。 如果核钟是最终发展起来，它可以彻底改变许多领域，包括地球和太空导航、通信、电网管理和科学研究。 当今最精确的计时设备是原子钟，它依赖于两个量子态之间的电子振荡。 这些非常精确，但它们有一个明显的缺点：它们容易受到来自环境的电气干扰，这会影响它们的一致性。 相比之下，原子核距离很远对此类干扰不太敏感。 科学数字 根据暗物质的领先模型，这种神秘物质由无数粒子组成，每个粒子的质量至少比单个电子的质量小 1,000,000 倍。 “当谈到暗物质时，”佩雷斯说，“基于钍 229 的核钟将是终极探测器。 目前，电干扰限制了我们在搜索中使用原子钟的能力。 但核钟会让我们检测其滴答声中令人难以置信的细微偏差——即共振频率的微小变化——这可能会揭示暗物质的影响。 我们估计它将使我们能够探测到比重力弱 10 万亿倍的力，提供的分辨率比我们目前在寻找暗物质时所拥有的分辨率高 100,000 倍。 欧洲研究委员会 （ERC） 最近向教授授予了 ERC 高级资助。 佩雷斯的团队支持这一研究方向的持续发展。参与这项研究的还有教授。 Elina Fuchs 和 Dr. 来自德国布伦瑞克德国国家计量研究所 （PTB） 和德国汉诺威莱布尼茨大学的 Fiona Kirk; 博士。 来自魏茨曼粒子物理和天体物理系佩雷斯小组的 Eric Madge 和 Chaitanya Paranjape; 和教授。 Ekkehard Peik 和 Dr. 来自德国布伦瑞克德国国家计量研究所 （PTB） 的 Johannes Tiedau。