劳拉·奥斯特，国家标准与技术研究所 描绘寻找暗物质的时钟的漫画
信用:哈纳切克/NIST JILA的研究人员使用最先进的原子钟来缩小对难以捉摸的暗物质的搜索范围，这是一个例子，说明时钟的持续改进是如何超越计时的价值的
以前，工作在微波频率的旧原子钟曾搜寻过暗物质，但这是第一次利用工作在较高光学频率的新原子钟和确保光波稳定的超稳定振荡器来设定更精确的搜寻范围
这项研究发表在《物理评论快报》上
天体物理观测表明，暗物质构成了宇宙中的大部分“物质”，但迄今为止，它仍未被捕获
世界各地的研究人员一直在以各种形式寻找它
JILA团队专注于超轻暗物质，理论上，超轻暗物质的质量很小(比单个电子小得多)，波长很大——粒子在空间中传播的距离——可能与矮星系一样大
这种暗物质会被引力束缚在星系上，从而束缚在普通物质上
超轻暗物质预计会在两个基本物理“常数”中产生微小波动:电子质量和精细结构常数
JILA团队使用锶晶格钟和氢脉泽(激光的微波版本)分别比较了它们众所周知的光学和微波频率，以及光在由纯硅单晶制成的超稳定腔中共振的频率
所得的频率比对两个常数随时间的变化很敏感
比率和常数的相对波动可以用作传感器，将暗物质的宇宙学模型与公认的物理理论联系起来
JILA团队为“正常”波动建立了新的下限，超过这个下限后发现的任何异常信号都可能是由暗物质引起的
研究人员将超轻暗物质与电子质量和精细结构常数的耦合强度限制在10-5数量级或更低，这是有史以来最精确的测量值
JILA由国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校联合运营
“没有人真正知道在实验室测量中，你将在什么样的灵敏度水平上开始看到暗物质，”NIST/JILA·费勒·叶军说
“问题是我们所知道的物理学在这一点上还不完全
我们知道有些东西丢失了，但我们还不知道如何修复它
" “我们从天体物理观测中知道暗物质的存在，但是我们不知道暗物质与普通物质之间的联系以及我们测量的数值，”叶补充道
“像我们这样的实验允许我们测试人们为探索暗物质的本质而建立的各种理论模型
通过设定越来越好的界限，我们希望排除一些不正确的理论模型，并最终在未来有所发现
" 叶指出，科学家不确定暗物质是由粒子组成还是由影响当地环境的振荡场组成
他说，JILA实验旨在检测暗物质对普通物质和电磁场的“拉动”效应
原子钟是探测暗物质的主要探测器，因为它们可以探测基本常数的变化，并且在精度、稳定性和可靠性方面都在迅速提高
空腔的稳定性也是新测量的一个关键因素
光在腔中的共振频率取决于腔的长度，这可以追溯到玻尔半径(一个物理常数，等于氢原子中原子核和电子之间的距离)
玻尔半径也与精细结构常数和电子质量有关
因此，与原子的跃迁频率相比，共振频率的变化可以表明由暗物质引起的这些常数的波动
研究人员在时钟运行30%的情况下，收集了12天锶/腔频率比的数据，结果数据集长达978，041秒
氢脉泽数据跨越了33天，脉泽运行了94%的时间，产生了2，826，942秒的记录
氢/腔频率比对电子质量提供了有用的灵敏度，尽管微波激射器不如锶钟稳定，产生的信号更嘈杂
JILA的研究人员在最近演示改进的时标时收集了暗物质搜索数据——这是一个结合了多个原子钟数据的系统，可以产生一个单一的、高度精确的计时信号用于分配
随着未来原子钟、光学腔和时标性能的提高，可以用更高的分辨率重新检查频率比，进一步扩大暗物质搜索的范围
“任何时候运行光学原子时标，都有机会对暗物质进行新的探索或发现，”叶说
“将来，当我们能够把这些新系统送入轨道时，它将是有史以来为寻找暗物质而建造的最大的‘望远镜’
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