精密计量学接近暗物质

光学钟的精度如此之高，估计需要200亿年-比宇宙的年龄更长-才能损失或增加一秒。现在，由美国国家标准与技术研究所(National Institute Of Standard And Technology)和科罗拉多大学(University Of Colorado)的叶军团队领导的研究人员，利用他们的光钟的精确性和晶硅光学腔前所未有的稳定性，加强了对标准物理模型中粒子和场之间任何可能耦合的约束，以及迄今为止难以捉摸的暗物质成分。暗物质的存在是从星系和宇宙尺度的引力效应间接证明的，但除此之外，人们对其性质知之甚少。在标准物理模型中，暗物质与粒子耦合的理论分析所产生的效应之一是产生振荡。叶和他的合作者认为，如果他们的世界级计量设备不能检测到这些振荡，那么这个明显无效的结果将是有用的证实，即在标准物理模型中，暗物质与粒子相互作用的强度肯定比迄今记录的约束条件所规定的还要低。

之前试图确定暗物质直接证据的范围从实验室实验到大型粒子对撞机项目，如大型强子对撞机(LHC)的项目。例如，许多这些努力都在寻找与弱相互作用大质量粒子(Wimp)的相互作用，这些粒子的质量类似于100GeV范围内的银原子，或轴子-一种旨在解释粒子物理元素的假想粒子，可能符合暗物质理论。然而，叶和他的合作者利用他们的光钟和设备，集中研究了暗物质与远低于1 eV的质谱低端粒子之间可能的相互作用，1 eV比静止电子的质量小50万倍。

光学钟是原子钟的一种。第一批原子钟利用铯133原子中的超精细跃迁--当铯133原子中的电子翻转自旋时，原子状态的能量变化就像微波范围内的特征频率一样被发射出去。(编者注：第一个原子钟利用了铯133原子中的超精细跃迁--当铯133原子中的电子翻转时，原子状态的能量变化与微波范围内的特征频率一样)。然而，锶原子中电子轨道之间的跃迁导致了能量的变化，在光学范围内对应的频率要高得多，现在已经发展了测量这些跃迁的技术，甚至可以实现更高精度的计时。更重要的是，光钟的频率与某些基本常数直接相关，提供了一条以前所未有的精度测量这些量的潜在变化的途径。

叶和他的合作者使用他们的光钟来搜索基本常数α的任何变化，这是一种精细结构常数，它定义了带电粒子和光子之间相互作用的强度。为此，他们将光钟中使用的锶原子的频率与他们的晶体硅腔进行了比较，晶体硅腔是激光中使用的一种装置，允许电磁波在相对的反射面之间反弹，并产生驻波，其频率的大小取决于腔长。这两种器件的频率都是根据α和Me(给出电子质量的另一个基本常数)来定义的，但具有不同的依赖关系，因此这两个频率之间的比率揭示了常数α的任何变化。

人们已经使用微波频率的原子钟来限制暗物质耦合强度的极限，但这项工作将是使用光学原子钟来约束暗物质振荡特征的第一个结果，叶说。

除了将腔体频率与时钟原子进行比较外，研究人员还将其与氢脉泽的频率进行了比较-氢脉泽是一种微波频率标准，根据氢原子中不同的电子和核自旋态之间的跃迁产生辐射。虽然氢脉泽不能提供像锶基光学钟那样精确的计时，但它所基于的能量跃迁导致频率与常数α和Me之间的不同关系，使得它的频率与晶体硅腔的频率之比也为Me值的变化提供了一个探针。α值的振荡表明暗物质和电磁场之间的相互作用，而Me的振荡则表明暗物质和电子质量之间的相互作用。

测量到的腔体与光钟和氢脉泽之间的频率比还利用了另一个重要优势--晶体硅腔的稳定性。大多数空洞是由玻璃制成的，玻璃是一种无序的无定形固体，有很多

使用共振频率与原子频率进行比较的想法是在我和维克多·弗拉鲍姆教授之间的一封电子邮件交流中首次提出的，叶莉告诉Phys.org，回忆起他们在2015年左右的交流。虽然Flambaum很快就写了一篇论文描述了他们讨论的基本想法，但叶说他想看看实验结果。我们在这里。更多信息：科林·J·肯尼迪等人。精密计量学满足宇宙学：改进了对超轻暗物质的限制，来自原子-空腔频率比较，物理评论快报，接受手稿。Org/prl/Accept/…。5e3b7a288ddee8f5ad29