核时钟或将最终揭开暗物质之谜

科学家认为，若开发出利用原子核进行极端精确计时的核钟，其最微小的走时异常都可能揭示暗物质的影响。去年，德国和科罗拉多的物理学家在使用放射性元素钍-229构建这种时钟方面取得突破。当魏茨曼科学研究所Gilad Perez教授理论物理课题组获悉这一成果时，他们意识到在核钟完全实用化之前，就已存在推进暗物质研究的新机遇。近期与德国团队合作发表于《物理评论X》的研究中，他们提出通过监测钍-229原子核特性变化来探测暗物质的新方法。

如同推动秋千需要精准把握时机以维持平稳摆动，原子核也存在最佳振荡频率——物理学称为共振频率。特定频率的辐射能使原子核像钟摆般在基态与高能态两个量子态间"摆动"。大多数材料的共振频率较高，需强辐射激发核子。但1976年科学家发现，美国核计划副产品钍-229是罕见例外，其天然共振频率低至可用标准激光技术的弱紫外辐射操控。这使钍-229成为核钟开发的理想候选——其量子态间的"摆动"可像传统钟摆般计时。

"核钟将成为终极探测器——能感知比引力弱10万亿倍的作用力，分辨率比现有暗物质探测高10万倍"

然而核钟研发在最初阶段就遭遇瓶颈：科学家始终无法极高精度测量钍-229的共振频率。测定核共振频率需用不同频率激光照射，观测量子态跃迁时的能量吸收/发射情况，据此绘制吸收光谱，峰值吸收对应的频率即为核共振频率。

近五十年来，科学家测量精度始终未达核钟要求，直到去年两项突破相继出现：德国国家计量研究院(PTB)团队率先发布较精确数据，数月后科罗拉多大学团队将精度提高了数百万倍。

"开发核钟仍需更高精度，"Perez表示，"但我们已经发现研究暗物质的新途径。"他解释道："在仅由可见物质构成的宇宙中，任何材料的物理条件和吸收光谱都应恒定。但由于暗物质环绕四周，其波动性会轻微改变原子核质量，导致吸收光谱发生瞬时偏移。我们假设通过精确监测钍-229吸收光谱的微小异常，既能揭示暗物质影响，又有助于研究其特性。"

由Wolfram Ratzinger博士领衔的理论计算表明，新测量方法能探测到比引力弱1亿倍的暗物质作用（引力本身已很微弱，日常生活中鲜少察觉）。"这是暗物质探测的全新领域，"Ratzinger指出，"单独监测共振频率偏移不够，必须分析整个吸收光谱的变化。虽然尚未发现异常，但我们已建立理论基础。一旦检测到偏差，就能通过其强度和出现频率推算暗物质粒子质量。后续研究还计算了不同暗物质模型对钍-229吸收光谱的影响，这将有助于最终确定正确模型及暗物质成分。"

目前全球实验室仍在持续优化钍-229共振频率测量，该过程预计需数年。若核钟问世，将彻底变革地球/太空导航、通信、电网管理和科研等领域。当前最精确的原子钟依赖电子量子态跃迁，虽精度极高但存在重大缺陷：易受环境电磁干扰影响稳定性，而原子核对此类干扰极不敏感。

科学数据

主流暗物质模型认为，这种神秘物质由无数粒子组成，每个粒子质量比单个电子至少小100万倍。

"对于暗物质研究，"Perez强调，"钍-229核钟将是终极武器。现有原子钟因电磁干扰限制其探测应用，但核钟能检测走时中极其微妙的偏差（即共振频率的微小偏移），从而揭示暗物质影响。我们预估其可探测比引力弱10万亿倍的作用力，分辨率比现有暗物质探测手段高10万倍。"

欧洲研究委员会(ERC)近期授予Perez课题组高级资助以支持该研究。参与合作的还包括德国国家计量研究院(PTB)的Elina Fuchs教授、Fiona Kirk博士；魏茨曼粒子物理与天体物理系的Eric Madge博士、Chaitanya Paranjape；以及德国PTB的Ekkehard Peik教授和Johannes Tiedau博士。