超准确的时钟领先搜索新的物理规律（2018）
自1916年以来，精细结构常数是一个神秘的谜，当它突然出来的Arnold Sommerfeld对氢原子的量子机械结构的分析。 （Niels Bohr刚刚发表了他的突破性原子模型，与其着名的中央核和轨道电子，三年来。）常数，Sommerfeld标记的alpha，量化了电磁体的强度，介导大部分现象的基本力量我们的日常生活 - 从光到电力摩擦到火。
虽然Sommerfeld将新鲜的量子理论放在更坚实的地面上，但他在本世纪之后的持续卧床病的物理学家之后。当其名称表明时，它似乎是固定的。后来的研究表明，如果它的价值有些不同，那么宇宙的宇宙将是不可能的。然而，没有人知道它实际上是一个充分的理由。对于物理学家来说，他们喜欢他们的理论是充分的动力，一个看似任意价值的常数是一个主要问题。美国物理学家和诺贝尔·洛瑞特理查德费曼曾写过，“所有良好的理论物理学家都把这个数字放在墙上并担心了。”
从1937年的Paul Diac发布的一篇文章开始，理论主义者指出，α或质子和电子群众的比例等基本常数的变化可以揭示现代物理学的一些基岩理论中的裂缝，如相对论理论。细结构恒定最终成为粒子物理标准模型中的大约二十二个实证参数中的一个，这种理论是目前在其最基本的水平上描述宇宙的良好成功的理论。不变的常数可能意味着存在第五力 - 除了重力，电磁和强大和弱势的力量之外。换句话说，alpha可能是一个窗口进入未知。
考虑到这一点，Flambaum帮助韦伯分析了他潜在的结果。但是，Flambaum知道物理学家不会接受没有严肃独立证据的变化的alpha。他意识到基于可见波长的电子跳跃的新一代原子钟可以提供所需的确认。这样的“光学时钟”，其中波峰峰值约为50,000倍，比目前确定世界时间的微波时钟增加了大约50,000倍，这将是如此精确的是，通过在几年内测量恒定，物理学家可能会得到严格的结果由于韦伯从数十亿年的价值中的星光熠熠。
在某种意义上，原子是自然的时钟。每次电子之间的内部能级之间的电子跳跃 - 通过术语“量子飞跃”推广的概念 - 它以唯一的频率发射或吸收光。靠近该频率的激光可以诱导原子以荧光或散射来自另一个激光的光子。通过使用光子的通量来驱动反馈信号，物理学家可以将激光锁定到原子转变上。然后，激光的连续波峰可以被认为是时钟的刻度。
每个原子跳跃的频率由原子的电子和质子之间的电磁相互作用决定，其强度由alpha设定。因此，原子钟隐含地测量细结构常数。事实上，人们可以说宇宙中的每个原子永久测量常量。我们只需要弄清楚如何阅读测量。
但是，在实践中有点复杂。寻找Alpha的漂移需要两次测量至少两个时钟的频率，因为只有一个频率的变化可以反映时钟或其环境中的变化常数或其他一些班次。相比之下，两个或更多个独立时钟的频率的比率是无量纲数，其仅取决于自然常数。
2004年，德国PTB的物理学家德国标准研究所的物理学家，在Braunschweig迈出了第一步，比较了微波铯钟的光学ytterbium离子时钟的滴答度。为了做实验，Peik的团队测量了几周内的时钟频率，以减少统计不确定性，花了一年改善时钟，然后再次测量它们。数据显示，Alpha每年10 15次不得超过2份。这种限制仍然是韦伯布州遥远星系的观察所宣称的变化的两倍。
然后，2008年，大卫Wineland的研究人员在国立标准和技术研究所（NIST）的博尔德，科罗拉多州的博尔德，收紧近100倍，达到1017的近100倍，通过挖掘较低的铯钟并使用基于铝和汞的光学时钟。将韦伯的变化-α导致紧密的位置。去年，基于YTTerbium离子时钟和由锶原子制成的时钟宣布1018 in 10 18的新限制的初步结果，Peik的团队甚至进一步收紧了虎钳。
“他们不会经常发布，”Flambaum说。 “但是当他们发布时，它的准确性真的是一个戏剧性的突破。”
然而，在时钟组使其艰苦的测量中，Flambaum不仅仅是等待。他正忙着考虑其他用途的时钟和常数。 2015年，他和一位同事刊登了一篇论文，展示了某些暗物质假设可能导致alpha漂移，振荡或打嗝。他建议您通过先前收集的暗物质签名的时钟数据梳理。
你有其他想法。 “我的思考是，您的提议可以得到显着改善，”他告诉Flambaum。
Flambaum不是第一个建议使用时钟寻找暗物质的时钟。 2014年，一对研究人员意识到另一种类型的原子时钟可以被绳索进入新物理学的搜索 - 这是一两十年来绕地球的那种。全球定位系统中的卫星通常称为GPS，使用船上原子钟来计算地球上每一点的相对距离。这些时钟使用微波频率，并在精确度下超过最先进的实验室时钟。但他们非常可靠，他们总是在开启。在1996年读数被读物被解密后，美国宇航局在加利福尼亚州喷气机推进实验室的地球科学家设立了从这些时钟下载和存储时间数据的接收者;接收信号的间隔中的一个轻微抖动可能表明地壳中的细微变化。
Mateicists Maxim Pospelov在内华达大学的Waterloo，加拿大和安德烈·德里维亚科的Waterloo Wilo，Reno大学的秘密理论物理研究所，使用GPS数据设置为暗物质搜索。虽然暗物质可能以相对较重的“弱互动的大规模颗粒，”或WIMPS形式出现，但物理学家徒劳无功，它也可以由其他弱互动的东西制成。
一个假设涉及普遍存在的超轻颗粒，远远超过1百万的电子质量。这些假设的暗物质颗粒可能在大爆炸后冷冻成巨大的斑点，弦或墙壁。当地球进入或退出这样一个暗物质丛时，这可能与行星本身一样大时，变化会使微结构常数轻推，这反过来会调整板载时钟的滴答度速率。打嗝将像波浪一样滚动GPS网络。 “这有点投机，”Pospelov录取了。 “但目前我们没有良好的模型，因为你可以打赌你的钱。所以我们可能也可以自由地做到这一点。“
帝岛科，佩斯维亚科夫及其同事于2017年秋季报道，他们在16岁的价值GPS数据中发现了没有暗物质诱导的打嗝，根据此尺寸为1,000至100,000倍，将盖子拧紧盖子的盖子。理论暗物质团块的大小。
与此同时，周边研究所的理论物理学家亚洲南·阿瓦坦尼正在考虑检测自然出现的暗物质候选人的可能方法，这些候选人自然出现在统一相对论和量子力学的理论中 - 现代物理学的两个大范之行。在包括流行的字符串理论的这些理论中，与微小无源“Dilaton的”颗粒相关的全渗透领域影响基本常数如α的值。 Arvanitaki说，因为这些颗粒必然与正常物质相互作用，但只有弱，它们将至少形成神秘的黑暗部门的一部分。
与所有颗粒一样，稀释的暗物质颗粒将具有相关的量子波。就像许多颗粒聚结会成激光，它们的大量集合 - 在它之后的100个零的1左右，实际上 - 自然地落入一个大的，相干波，其频率和振幅取决于粒子的质量。原子能水平 - 因此原子钟“滴答度速率 - 将在波的频率略微脉冲。
不幸的是，String理论没有关于这种频率的线索 - 它可能是一秒钟，多年或之间的任何东西。 “我希望有一个预测，参数空间中有一个可以告诉你的位置：看看这里，你会找到它，”arvanitaki说。幸运的是，称为傅里叶变换的数学技巧使得可以搜索用于隐藏频率的隐藏振荡的任何数据。唯一的限制因素是时间：较长的实验主义者同时运行两个时钟，他们可以搜索的频率范围。 “原则上有一个原子钟的每个人都可以做到这一点，”arvanitaki说。
在Arvanitaki的纸张内，伯克利加州大学的物理学家德米特里Budker达到了科学出版地，他告诉她，他正在寻找他从镝中测量的数据收集的数据中这种振荡的证据原子。短暂后，他发布了他的结果 - 没有振荡的证据。这项工作收紧了稀释型暗物质与普通物之间的相互作用的理论限制10,000。不到两年后，巴黎观测台的一组小组使用来自铯和铷微波时钟的数据，以拧紧该限制的另一个因素10。
实验主义者经常需要多年的时间来提高一种级别的理论限制。所以跳跃10,000或更长是重大进展。 “有很多低悬挂的水果，”arvanitaki说。 “你可以通过做简单的事情来制作很多进步。”
喜欢回到旧数据。在David Hume，一个NIST的物理学家，阅读Budker的纸张并从Flambaum的同事中获取了一封电子邮件，他开始了从2000年代中期开始重叠他的实验室的铝 - 水银时钟数据。他发现他已经对稀有巨大的暗物质有了世界上最好的限制。他现在正在加强新的时钟运行，这会更好。测量还将测试微结构常数在过去十年中是否漂移，甚至可能改善Peik的最新结果。
YE收到了Flambaum的2015年电子邮件，就像他完善的锶时钟很快就会突破他的集团为世界上最准确的纪录。他对黑暗事项提案感到兴奋，但他对这个想法进行了新的旋转。他决定将其与其用于稳定他的激光稳定的精致单晶硅腔的长度来比较他的锶钟频率。腔体本身，YE所推理的，将测量细结构常数的任何变化，因为它是一定数量的BoHR半径（BoHR半径设置原子的自然长度尺度），以及半径，如任何原子转换频率，嵌入其中的常量。在2017年底，他推出了世界上第一个专门的稀释暗物质搜索。他已经考虑了两个月的数据，并相信实验将限制超出公布的暗物质理论。
甚至不缺乏关于如何改进基于时钟的暗物质搜索的想法。叶希望通过在PTB的同时运行他的最新时钟，包括来自Flambaum 2015的电子邮件的额外暗物质假设，包括来自Flambaum 2015的电子邮件的打嗝。 Derevianko想象通过光纤电缆连接世界上最好的时钟并同时运行它们的进一步进一步实现了一步 - 他计算的方案可以比GPS卫星时钟更敏感地测试拓扑暗物质10,000倍。在过去的两年里，光纤网络已经在伦敦，巴黎和Braunschweig在伦敦，虽然超越欧洲的扩展需要在光纤或卫星通信技术方面的进步。 Derevianko和Budker还试图说服原子物理学家公开归档精确测量，以使未来的搜索能够成为新的理论思想。
物理学家说，这一切 - 但是厨房水槽的方法是正确的策略，否则没有理论。 “我认为一个人能够为新物理学寻找到处，”特拉华大学理论物理学家Marianna Safronova说。但原子钟可能有一个边缘，因为物理学家已经在追求更准确的计时时已经改进了它们。 “我们没有为一些专门的物理实验构建一台大型机器，”Peik说。
包括Peik的几个研究组，正在基于不在原子电子水平之间的跳跃，而是在原子核中的能量水平之间的跳跃引起了一个提出的时钟。大多数核转型发生在极高的频率下，但由于物理学的事故，钍的一个同位素具有核跳跃，其频率在激光器范围内。仍然需要找到精确的频率，并且需要改善激光。但基于这一转变的时钟理论上，理论上是按照级别的准确度击败今天的顶部光学时钟。 YE说，更先进的时钟可能会检测到重力波浪和量子重力的理论。
实际上，Arvanitaki说，这样的时钟“将是一个基本上一切的极其敏感的探测。”