有望最终揭示暗物质的核钟

科学家认为，如果核时钟——一种利用原子核以极高精度测量时间的时钟——得以开发，即使是其走时中最微小的异常也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制造这种时钟方面取得了突破。当魏茨曼科学研究所Gilad Perez教授的理论物理小组的研究人员得知这一成就时，他们意识到了推进暗物质搜索的新机遇，甚至在全功能核时钟成为现实之前。他们与德国团队合作，最近在Physical Review X上发表了一项研究，提出了一种检测暗物质对钍-229原子核性质影响的新方法。

就像推孩子荡秋千需要恰当的时机才能保持平稳一致的运动一样，原子核也有一个最佳振荡频率，物理学上称为其共振频率。恰好在此频率下的辐射可以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，需要强辐射来激发原子核。但在1976年，科学家发现钍-229（美国核计划的副产品）是一个罕见的例外。其天然共振频率足够低，可以使用相对较弱的紫外辐射通过标准激光技术进行操控。这使得钍-229成为开发核时钟的有希望候选者，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。

“核时钟将是终极探测器——能够感知比重力弱10万亿倍的力，其分辨率是当今暗物质搜索的10万倍”

然而，核时钟的进展在最初阶段就停滞不前，当时科学家试图以最高的精度测量钍-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其照射激光，并观察它在量子态之间跃迁时吸收或发射了多少能量。根据这些结果，他们构建了一个吸收光谱，引起吸收峰值的频率被视为原子核的共振频率。

近五十年来，科学家一直无法以足够的精度测量钍-229的共振频率来制造核时钟，但去年带来了两项重大进展。首先，德国国家计量研究所（PTB）的一个小组发布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确数百万倍的结果。

“要开发核时钟，我们还需要更高的精度，”Perez说，“但我们已经发现了研究暗物质的机会。”他解释道：“在一个仅由可见物质组成的宇宙中，任何材料的物理条件和吸收光谱都将保持恒定。但因为暗物质包围着我们，其波动性可以微妙地改变原子核的质量，并导致其吸收光谱的暂时偏移。我们假设，高精度检测钍-229吸收光谱中微小偏差的能力可以揭示暗物质的影响，并帮助我们研究其性质。”

该团队进行的理论计算——由Perez小组的Wolfram Ratzinger博士和其他博士后研究员领导——表明，即使暗物质的影响比重力弱1亿倍，新的测量方法也能检测到，而重力本身就很弱，我们在日常生活中很少会想到它。“这是一个尚未有人寻找暗物质的区域，”Ratzinger说。“我们的计算表明，仅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来检测暗物质的影响。虽然我们还没有发现这些变化，但我们已经奠定了理解它们的基础。一旦我们检测到偏差，我们将能够利用其强度及其出现的频率来计算造成该影响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。我们希望这将最终有助于确定哪些模型是准确的，以及暗物质究竟是由什么构成的。”

与此同时，世界各地的实验室正在继续完善对钍-229共振频率的测量，这一过程预计需要数年时间。如果核时钟最终被开发出来，它可能会彻底改变许多领域，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，它们依赖于电子在两个量子态之间的振荡。这些时钟非常精确，但有一个显著的缺点：它们容易受到环境中电干扰的影响，这会影响其一致性。相比之下，原子核对这种干扰的敏感度要低得多。

科学数字

根据一个主流的暗物质模型，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1,000,000倍。

“谈到暗物质，”Perez说，“基于钍-229的核时钟将是终极探测器。目前，电干扰限制了我们在搜索中使用原子钟的能力。但核时钟将让我们检测到其走时中极其微小的偏差——即共振频率的微小偏移——这可以揭示暗物质的影响。我们估计它将使我们能够检测到比重力弱10万亿倍的力，提供的分辨率比我们目前暗物质搜索的分辨率高10万倍。”

欧洲研究理事会（ERC）最近向Perez教授的小组授予了ERC高级资助金，以支持这一研究方向的持续发展。参与该研究的还有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Elina Fuchs教授和Fiona Kirk博士；来自魏茨曼粒子物理与天体物理系Perez小组的Eric Madge博士和Chaitanya Paranjape；以及来自德国布伦瑞克德国国家计量研究所（PTB）的Ekkehard Peik教授和Johannes Tiedau博士。