作者:安娜·德明，物理
（同organic）有机 模拟中的暗物质和气体学分:Illustris协作
光学时钟和改进的晶体硅腔可以改善标准模型中对暗物质、场和粒子之间可能的相互作用的限制
光学时钟非常精确，估计需要200亿年——比宇宙的年龄还要长——才能损失或增加一秒钟
现在，美国的研究人员
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由美国国家标准与技术研究所的叶军团队和科罗拉多大学领导的团队，利用他们的光学时钟的精确性和精确性，以及他们晶体硅光学腔前所未有的稳定性，来加强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
暗物质的存在从银河系和宇宙尺度的引力效应中间接可见，但除此之外，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影响之一是导致基本常数的振荡
叶和他的合作者认为，如果他们的世界一流的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确认，即在物理学的标准模型中，暗物质与粒子相互作用的强度一定比迄今为止记录的约束条件所规定的还要低
计时基本常数值 以前试图确定暗物质的直接证据的尝试包括从实验室实验到大型粒子对撞机项目，比如大型强子对撞机(LHC)的项目
其中许多努力都在寻找与弱相互作用的大质量粒子(弱相互作用粒子)的相互作用，这些粒子的质量类似于100 GeV范围内的银原子或轴子——一种旨在解释粒子物理元素的假设粒子，可能符合暗物质理论
然而，叶和他的合作者使用他们的光学时钟和腔装置，在远低于1 eV的质谱低端研究暗物质和粒子之间可能的相互作用，1 eV比静止电子的质量小500，000倍
光学时钟是原子钟的一种
第一个原子钟利用了铯133原子中的超精细跃迁——当铯133原子中的电子翻转自旋时，原子状态能量的变化以微波范围内特征频率的电磁辐射形式发射出来
然而，锶原子中电子轨道之间的跃迁导致在光学范围内具有高得多的相应频率的能量变化，并且现在已经开发了测量这些跃迁的技术，甚至更高精度的时间保持是可能的
此外，光学时钟的频率与某些基本常数直接相关，为以前所未有的精度测量这些量的潜在变化提供了一条途径
叶和他的合作者用他们的光学时钟来寻找基本常数α的任何变化，这个精细结构常数定义了带电粒子和光子之间相互作用的强度
为此，他们将光学时钟中使用的锶原子的频率与晶体硅腔进行了比较，晶体硅腔是一种用于激光器的设备，它允许电磁波在相对的反射表面之间反弹，并产生特征频率由腔长决定的驻波
两个装置的频率都是根据α和me(另一个给出电子质量的基本常数)来定义的，但具有不同的相关性，因此两个频率之间的比值揭示了常数α的任何变化
“人们已经使用微波频率的原子钟来约束暗物质耦合强度的极限，但是这项工作将代表光学原子钟用于约束暗物质振荡信号的第一个结果，”叶说
除了将腔频率与时钟原子进行比较，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，它根据氢原子不同的电子和核自旋状态之间的跃迁产生辐射
虽然氢脉泽不能像基于锶的光学时钟那样提供精确的时间保持，但是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值的变化提供了探针
虽然α值的振荡表明了暗物质和电磁场之间的相互作用，但me的振荡将揭示与电子质量的相互作用
测量的谐振腔与光学时钟和氢脉泽之间的频率比也利用了另一个重要的优势——晶体硅谐振腔的稳定性
“大多数空腔是由玻璃制成的，玻璃是一种无序的非晶固体，具有许多尺寸漂移和不稳定性，”叶团队的研究员科林·肯尼迪(Colin Kennedy)解释说，他是这些结果报告的第一作者，他强调了使用由一个大的硅单晶组成的空腔的优势
“这种新一代空腔由硅单晶制成，并且还能保持在低温下，使它们的数量级更加稳定
这是我们工作的主要优势
" 接近暗物质 虽然(正如预期的那样)研究人员没有观察到由于与暗物质的相互作用而导致的基本常数的振荡，但他们的数据缩小了这种相互作用参数的可能值的范围
对于质量在4
5×10-16至1×10-19电子伏，由α定义的暗物质相互作用的可能强度被这些结果进一步限制了5倍，而由me定义的在2×10-19和2×10-21电子伏之间的质量被限制了100倍
“利用光腔共振频率与原子频率进行比较的想法，是我和教授在电子邮件交流中首次提出的
维克多·弗拉姆，”叶告诉物理
回顾他们在2015年前后的交流
当弗拉姆很快写了一篇论文描述他们讨论的基本观点时，叶说他“想看看实验结果”
我们到了
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