作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 测量同一个原子的不同同位素的跃迁频率的微小位移，可以探测到一个假想的暗物质粒子ϕ的存在，这个粒子在中子和电子之间起着中介作用
信用:计数等
极轻且弱相互作用的粒子可能在宇宙学和正在进行的暗物质研究中扮演重要角色
然而不幸的是，到目前为止，使用现有的高能对撞机很难探测到这些粒子
因此，世界各地的研究人员一直在努力开发能够检测这些粒子的替代技术和方法
在过去的几年里，在世界各地不同研究所工作的粒子和原子物理学家之间的合作导致了一种新技术的发展，这种技术可以用来探测非常轻的玻色子和中子或电子之间的相互作用
事实上，轻玻色子应该会改变原子和离子中电子的能级，这种变化可以用这些研究小组提出的技术来检测
使用这种方法，两个不同的研究小组(一个在丹麦奥尔胡斯大学，另一个在麻省理工学院)最近进行了实验，旨在收集暗玻色子存在的线索，暗玻色子是最有希望的暗物质候选粒子或暗区介质之一
他们的发现发表在《物理评论快报》上，可能会对未来的暗物质实验产生重要影响
理论上，以前从未观察到的粒子之间的相互作用，如玻色子和其他常见的粒子(例如
g
电子)，应该反映在标准模型预测的跃迁频率和实际原子测量的跃迁频率之间的差异上
即使物理学家能够收集极其精确的频率测量值，基于理论的大原子计算仍有很大的不确定性，无法与直接测量值进行可靠比较
费米实验室和芝加哥大学的理论物理学家埃琳娜·富克斯与奥尔胡斯大学的团队合作，她告诉《物理》杂志说:“以前的工作中使用的技巧是对一种元素的几种同位素的相同跃迁进行频率测量，并追溯到60年代(金63年)的安萨兹。”
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“两种不同同位素的相同跃迁之间的差异被称为同位素位移
通过比较至少两个跃迁的至少三个这样的同位素位移，人们不再需要依赖标准模型中频率的计算
相反，我们的方法仅使用测量值，排列在3个数据点中，每个数据点是所谓的国王图中两个测量的跃迁频率的一对
那么问题就很简单了:这三个点是否像标准模型中所预期的那样位于一条直线上？" 由迈克尔·德勒森领导的奥胡斯团队和由弗拉丹·武莱蒂奇领导的麻省理工学院研究团队所使用的技术，本质上需要检查排列在4个数据点中的同位素位移
如果这些点形成一条直线，观察结果与标准模型一致，这表明没有检测到新的物理现象
然而，如果它们不在一条直线上，这可能暗示新玻色子或其他物理现象的存在
如果用这种方法观察到的非线性明显超过标准模型设定的误差线，那么研究人员应该能够对他们可能检测到的玻色子的耦合和质量设定新的界限
然而，如果非线性出乎意料地大，它可能与扰乱电子能级的玻色子有关，也可能与标准模型预测的其他物理现象有关，这些物理现象也被认为破坏了同位素位移的线性
奥尔胡斯团队的另一位理论家朱利安·伯伦格特在澳大利亚悉尼的UNSW工作，他进行了最近的研究，他告诉《物理》杂志说:“利用金图非线性寻找新玻色子是利用精确的原子或分子实验而不是高能对撞机来寻找新物理的众多研究之一。”
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“所有这些搜索背后的想法是，凭借高精度，你可以探测到粒子的细微效应，而这些效应在对撞机中可能不容易探测到
一般来说，这些实验比对撞机实验小得多，也便宜得多，而且它们提供了一种互补的方法
我们的论文，以及邻近的麻省理工学院弗拉丹·武莱蒂奇团队的论文，实际上是第一个使用金图非线性方法收集的专用测量
" 维莱蒂奇的研究小组和德鲁森的小组都使用一种被称为精密光谱学的技术来收集他们的测量结果
这种技术可以用来收集原子中非常精确的频率测量值，例如记录原子在不同状态间跃迁时的频率
在他们的实验中，麻省理工学院的团队和奥尔胡斯大学的研究人员分别检测了不同的离子:镱离子和钙离子
“我们的主要目标是测试超出目前已知(如标准模型所概述的)的新力量，并在一定程度上排除它们，”领导麻省理工学院团队的研究员弗拉丹·武莱蒂奇告诉《物理》杂志
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“这种测试以前做过，但没有达到我们所达到的精度
在我们工作的同时，由丹麦的迈克尔·德鲁森领导的小组对类似的跃迁进行了大约10倍的精确测量，但是在一个对新效应的敏感度比我们使用的原子低大约10倍的原子中，所以我们的实验和德鲁森的实验的敏感度最终大致相同
" 为了有效地使用基于精密光谱学的方法搜索暗玻色子，物理学家需要以亚千赫的精度(即
e
分数精度为1/1012或更高)
为了做到这一点，他们将要检查的粒子应该被捕获
武莱蒂奇和他的同事们利用振荡电场捕获了镱离子，他们用这种离子做了一个“保罗陷阱”
他们用非常稳定的激光探测这些离子，并用带有高反射镜的光学谐振腔来稳定激光
“我们通过扫描激光频率测量一种同位素频率半小时，然后转换到另一种同位素，测量30分钟，转换回第一种同位素，并在每天工作后对测量结果进行平均，”武莱蒂奇说
“第二天，我们将测量另一对同位素，以此类推
" 由于它们是基于非常高精度的测量，由维莱蒂奇和德鲁森的团队进行的实验很难进行
事实上，它们需要对捕获的离子和用于电离、冷却和光谱学的不同激光源进行良好的控制
奥尔胡斯大学的团队收集了比武莱蒂奇团队更精确的测量数据，在约2太赫兹的所谓的五种钙同位素的D-精细结构分裂上达到了前所未有的20赫兹的精度，相当于10-11的相对精度
在他们的实验中，他们利用了过去一个世纪开发的许多技术工具和技术，包括离子阱、激光冷却方法和一种称为飞秒频率梳激光器的特殊工具
“大约在2000年发明了所谓的飞秒频率梳激光器，这使得我们能够使用我们最近在奥尔胡斯大学演示的方法，非常精确地探测D-精细结构分裂的电子能级，”进行最近研究的奥尔胡斯大学的研究人员之一西里尔·索拉罗告诉《物理》杂志
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“尽管在规模和投资方面无法与欧洲核子研究中心的巨大集体努力相提并论，但值得注意的是，这种‘桌面’实验可以有助于探索科学中一些相同的基本问题，主要是解决较轻的粒子，而且在短短几年的时间内，实验取得了重大进展
" 除了卓越和无与伦比的精度之外，两个研究小组使用5种不同的同位素测量了4个同位素位移，而以前的研究最多收集了4个同位素的测量值
最终，他们的实验使他们能够将新玻色子与电子和中子耦合的束缚比以前的束缚提高30倍，以前的束缚也是基于金的同位素位移图(I
e
使用相同的技术)
“我们强有力的改进界限并不比现有的界限更强，现有的界限是由两种互补的耦合测试方法(中子散射和电子的磁矩)组合而成的，但它突出了金图法可实现的快速和显著的进步，”福茨说
“此外，我们指出，如果以当前或未来的精度在钙、钡或镱离子中测量这种D-精细结构分裂跃迁，则束缚有进一步改善的现实空间，这表明迄今为止未测试的耦合和质量可以以10兆赫的可行精度进行测试
这样的精确度也允许对铍异常进行独立测试
" 虽然奥尔胡斯大学的研究小组收集的测量值是线性的，因此与标准模型的预测一致，但维莱蒂奇的研究小组观察到线性偏差的统计显著性为3西格玛
虽然这种偏离可能源于标准模型中的附加项，但它也暗示了暗玻色子的存在
“有充分的证据表明，存在超越标准模型的物理学(例如
g
我们知道宇宙中存在暗物质)，但我们不知道这种新物理是由什么构成的
“重要的是从不同的方向进行实验性的探索，以排除某些可能性，或者如果一个人非常幸运的话，在某个地方找到新的物理或新的粒子
我们正在寻找中等质量范围内的粒子，在这种情况下，我们实际上比利用粒子加速器的直接搜索具有更好的灵敏度，因为我们在单个原子和量子水平上对系统具有非凡的控制程度
" 麻省理工学院的团队和奥尔胡斯大学的团队都计划使用高稀土溶液光谱学和通过金同位素位移图来进一步搜索暗玻色子和其他暗物质候选者
他们的工作最终可能为与暗物质相关的信号的实验观察铺平道路
“我们现在将继续以更高的精度和非线性预计会更大的新过渡进行搜索，”维莱蒂奇说
“这将最终使我们能够查明我们观察到的非线性的来源；无论它来自核结构，还是来自以前未知的新物理
" 在他们的下一项研究中，奥尔胡斯大学的团队将试图以更高的精度测量同位素位移，因为这可以让他们设定新的界限或检测与标准模型预测的新偏差
与此同时，团队成员还将继续探索各种其他主题，从提高精密光谱学和干涉测量到对撞机物理，以研究希格斯玻色子的特性或寻找新的重粒子
“特别是，我们已经与教授建立了联系
位于中国武汉的中国科学院的华冠，为了发起一项合作，旨在将钙王图的灵敏度提高到1000倍
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“这可以通过在奥尔胡斯大学利用两种不同同位素的离子的量子纠缠对三维精细结构分裂进行大约1000倍的精确测量来实现，而武汉小组对硫-氘跃迁的测量具有10-17的相对精度
" 除了他们迄今为止使用的实验方法，富克斯和她在以色列魏茨曼科学研究所的同事正在考虑测量里德堡态同位素位移的可能性
他们实验的另一个版本只需要两种同位素
“我对通过利用高电荷钙离子的最新精确研究来改进我们的实验的可能性抱有极大的希望，”贝伦格特总结道
“有了这些额外的数据，我们应该能够消除任何潜在的系统性影响，并确保我们最大限度地利用我们的国王计划
"
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