核钟或将最终揭开暗物质真容

科学家们相信，如果开发出一种核钟——一种利用原子核以超高精度测量时间的装置——即使其滴答声中最微小的不规则性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使用放射性元素钍-229构建这种时钟方面取得了突破。当魏茨曼科学研究所Gilad Perez教授理论物理小组的研究人员得知这一成就时，他们意识到在核钟完全成为现实之前，就存在了一个推进暗物质搜索的新机会。他们与德国团队合作，近期在Physical Review X上发表了一项研究，提出了一种探测暗物质对钍-229原子核特性影响的新方法。

正如推动秋千上的孩子需要恰当的时机以维持平稳、一致的运动，原子核也有一个最佳振荡频率，物理学中称为其共振频率。恰好处于该频率的辐射能使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。其固有共振频率足够低，可通过标准激光技术使用相对较弱的紫外辐射进行操控。这使得钍-229成为开发核钟的理想候选者，在这种时钟中，时间是通过原子核在量子态之间像传统时钟中的钟摆一样“摆动”来测量的。

“核钟将成为终极探测器——能够感知比引力弱十万亿倍的力，其分辨率是当今暗物质搜索的十万倍”

然而，就在科学家们试图以最高精度测量钍-229的共振频率的最初阶段，核钟的研发进展便停滞了。要确定原子核的共振频率，物理学家会用不同频率的激光照射它，并观察其在量子态之间跃迁时吸收或释放的能量。根据这些结果，他们构建出吸收光谱，导致峰值吸收的频率即被视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高的精度测量钍-229的共振频率来建造核钟，但去年取得了两项重大进展。首先，德国国家计量研究院（PTB）的一个小组发表了相对精确的测量结果。几个月后，科罗拉多大学的一个团队发布了精度高出数百万倍的结果。

“开发核钟仍需要更高的精度，”Perez表示，“但我们已识别出一个研究暗物质的机会。”他解释道：“在一个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将保持不变。但由于暗物质环绕着我们，其波动性会微妙地改变原子核的质量，并导致其吸收光谱发生暂时性偏移。我们假设，以极高精度检测钍-229吸收光谱中微小偏差的能力能够揭示暗物质的影响，并帮助我们研究其特性。”

由Perez小组的Wolfram Ratzinger博士及其他博士后领导团队进行的理论计算表明，新的测量方法能够探测到比引力弱一亿倍的暗物质影响——引力本身已是一种微弱且在日常生活中很少被我们察觉的力。“这是一个尚未有人探索过的暗物质搜索领域，”Ratzinger说。“我们的计算表明，仅搜索共振频率的偏移是不够的。我们需要识别整个吸收光谱的变化以探测暗物质效应。虽然我们尚未发现这些变化，但已为理解其出现奠定了基础。一旦检测到偏差，我们将能利用其强度和出现的频率来计算相关暗物质粒子的质量。在研究的后续部分，我们还计算了不同暗物质模型如何影响钍-229的吸收光谱。我们希望这最终有助于确定哪些模型是准确的，以及暗物质的实际构成。”

与此同时，全球实验室正持续改进钍-229共振频率的测量，这一过程预计需要数年时间。如果最终开发出核钟，它可能彻底改变许多领域，包括地球与空间导航、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，其依赖于电子在两个量子态之间的振荡。这些设备精度极高，但有一个显著缺点：易受环境电磁干扰影响，从而影响其稳定性。相比之下，原子核对此类干扰的敏感性要低得多。

科学数值

根据一个领先的暗物质模型，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小一百万倍。

“在暗物质探测方面，”Perez表示，“基于钍-229的核钟将成为终极探测器。目前，电磁干扰限制了我们在搜索中使用原子钟的能力。但核钟将使我们能检测其滴答声中难以置信的微小偏差——即共振频率的微小偏移——从而揭示暗物质的影响。我们估计它将使我们能够探测到比引力弱十万亿倍的力，提供比当前暗物质搜索高十万倍的分辨率。”

欧洲研究理事会（ERC）近期授予Perez教授小组一项ERC高级资助，以支持该研究方向的发展。参与研究的还有德国布伦瑞克国家计量研究院（PTB）及德国汉诺威莱布尼茨大学的Elina Fuchs教授和Fiona Kirk博士；魏茨曼粒子物理与天体物理系Perez小组的Eric Madge博士和Chaitanya Paranjape；以及德国布伦瑞克国家计量研究院（PTB）的Ekkehard Peik教授和Johannes Tiedau博士。