利用光学原子钟研究暗物质的相互作用
发布时间：2023-06-25 08:00:00 阅读数： 96
1 / 1为了寻找暗物质，对三个原子钟进行了比较：两个时钟使用存储在离子阱中的单个离子（左），第三个原子钟使用光学晶格中约1000个中性原子（右）。资料来源：PTB
暗物质能否与光子相互作用并影响原子结构？光学原子钟的一个案例：在合作研究中心DQ-mat和卓越集群QuantumFrontiers的范围内，联邦物理技术研究所（PTB）对两种不同类型的此类时钟进行了比较。这是迄今为止对超轻暗物质与光子相互作用的最精确搜索。
通过这项工作，现有的可能耦合的探测极限被提高了一个数量级以上--在广泛的暗物质粒子质量范围内。虽然没有发现暗物质耦合的证据，但这项工作使我们更接近于了解暗物质的性质和潜在的相互作用。调查结果已经发表在本期的《物理评论快报》杂志上。
天文观测表明存在所谓的 "暗物质"，它占所有物质的80%以上，据我们所知，它只通过引力与普通可见物质相互作用。特别是，与光子（光是由基本粒子组成的）的相互作用还没有得到证实--因此这种类型的物质被称为 "暗"。暗物质是由什么构成的，以及是否与传统物质存在着未知的相互作用，这仍然是一个巨大的谜。
一个特别有希望的理论方法暗示，暗物质可能由极轻的粒子组成，其行为更像波而不是单个粒子：所谓的 "超轻 "暗物质。在这种情况下，以前未被发现的暗物质与光子的弱相互作用将导致细结构常数的微弱振荡。
精细结构常数是描述电磁作用强度的自然常数。它决定了原子的能量尺度，从而影响了作为原子钟参考的过渡频率。由于不同的过渡对常数的可能变化有不同程度的敏感，所以原子钟的比较可以用来寻找超轻的暗物质。为此，PTB的研究人员现在使用了一种原子钟，这种原子钟对这种搜索中细结构常数的可能变化特别敏感。
为此，在长达数月的测量中，这个敏感的原子钟与其他两个敏感度较低的原子钟进行了比较。由此产生的测量数据被调查为振荡，这是超轻暗物质的标志。由于没有发现明显的振荡，即使在更仔细的检查下，暗物质仍然是 "黑暗的"。因此，对神秘暗物质的探测并没有实现。由于没有信号，我们得以确定超轻物质与光子可能的耦合强度的新的实验上限。以前的极限在很大范围内被提高了一个数量级以上。
同时，研究人员还研究了精细结构常数是否会随着时间的推移而发生变化，例如，非常缓慢地增加或减少。在数据中没有发现这样的变化。在这里，现有的限制也被收紧了，表明常数即使在很长一段时间内也保持不变。
与以前每个原子钟都需要自己的实验系统的时钟比较不同，在这项工作中，三个原子钟中的两个在一个实验装置中实现。为此，我们使用了一个单一被困离子的两个不同的过渡频率：离子在两个光转变上被交替询问。这是朝着使光学频率比较更加紧凑和强大的方向迈出的重要一步--例如，用于未来搜索太空中的暗物质。
参考资料
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. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2301.03433
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