有望最终揭示暗物质的核时钟

科学家们认为，如果能够开发出核钟——一种利用原子核以极高精度测量时间的装置——其计时过程中最微小的不规则性都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构建此类时钟方面取得了突破性进展。当魏茨曼科学研究所Gilad Perez教授理论物理小组的研究人员获悉这一成就时，他们意识到在功能性核钟成为现实之前，就存在推进暗物质研究的新机遇。他们与德国团队合作，近期在《物理评论X》上发表了一项研究，提出了一种探测暗物质对钍-229核性质影响的新方法。

正如推动秋千上的孩童需要精确把握时机以维持平稳连贯的运动，原子核也存在一个最佳振荡频率，物理学中称为共振频率。恰好处于该频率的辐射能使原子核像钟摆般在两个量子态间"摆动"：基态与高能态。大多数材料的共振频率较高，需要强辐射才能激发原子核。但在1976年，科学家发现美国核计划的副产品钍-229是个罕见例外。其天然共振频率足够低，可用标准激光技术通过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，这种时钟通过原子核在量子态间的"摆动"（如同传统时钟的钟摆）来计量时间。

"核钟将成为终极探测器——能感知比引力弱十万亿倍的作用力，分辨率比现有暗物质探测技术高十万倍"

然而核钟研发在最初阶段就遭遇停滞：科学家试图以最高精度测量钍-229的共振频率。为确定原子核的共振频率，物理学家需用不同频率的激光照射原子核，观测其在量子态跃迁时吸收或释放的能量。根据这些结果构建吸收光谱，将引起峰值吸收的频率视为原子核的共振频率。

近五十年来，科学家始终无法以构建核钟所需的精度测量钍-229的共振频率，但去年取得两项重大突破。德国国家计量研究所（PTB）团队首先公布了相对精确的测量数据。数月后，科罗拉多大学团队发表了精度提高数百万倍的结果。

Perez表示："研发核钟仍需更高精度，但我们已经发现了研究暗物质的机遇。"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将保持恒定。但由于暗物质环绕着我们，其波动性会微妙改变原子核质量，导致吸收光谱出现瞬时偏移。我们假设：以极高精度探测钍-229吸收光谱的微小偏差，可揭示暗物质影响并帮助研究其特性。"

由Perez小组的Wolfram Ratzinger博士及其他博士后主导的理论计算表明，新测量技术能探测到比引力弱一亿倍的暗物质影响（引力本身已属弱作用力，日常生活中鲜少被察觉）。Ratzinger指出："这是尚未被探索的暗物质研究领域。计算显示仅寻找共振频率偏移是不够的，必须识别整个吸收光谱的变化才能探测暗物质效应。虽然尚未发现这些变化，但我们为理解其出现机制奠定了基础。一旦检测到偏差，就能通过其强度和出现频率计算相关暗物质粒子的质量。研究后期我们还计算了不同暗物质模型对钍-229吸收光谱的影响，希望最终有助于确定准确模型及暗物质的实际构成。"

与此同时，全球实验室正持续优化钍-229共振频率的测量，这一过程预计耗时数年。若核钟最终问世，将彻底变革地球与太空导航、通信、电网管理和科研等多个领域。当今最精确的计时装置是原子钟，其依赖于电子在两个量子态间的振荡。虽然精度极高，但存在重大缺陷：易受环境电磁干扰，影响计时一致性。相比之下，原子核对此类干扰的敏感度低得多。

科学数据

根据主流暗物质模型，这种神秘物质由无数粒子构成，每个粒子的质量至少比单个电子小1,000,000倍。

Perez强调："对于暗物质研究，基于钍-229的核钟将是终极探测器。当前电磁干扰限制了原子钟在探测中的应用。但核钟能让我们检测其计时过程中（即共振频率）的极微小偏差，从而揭示暗物质影响。我们预估其可探测比引力弱十万亿倍的作用力，提供比现有暗物质探测技术高十万倍的分辨率。"

欧洲研究委员会（ERC）近期授予Perez教授小组ERC高级基金，支持该研究方向的持续发展。参与研究的还包括德国国家计量研究所（PTB）、德国布伦瑞克大学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；以及德国国家计量研究所（PTB）的Ekkehard Peik教授和Johannes Tiedau博士。