向着暗物质，步步紧逼

　　翻译：葛文迪

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　　原文链接：https://phys.org/news/2020-10-precision-metrology-dark.html

　　光学时钟极为精确，两百亿年才会有一秒的偏差，这比目前宇宙的年龄还要长。日前，由叶军带领的来自美国国家标准技术研究院和科罗拉多大学的研究者们，利用光学时钟的精准性和晶体硅光学谐振腔前所未有的稳定性，收紧了对标准物理模型中粒子与场可能的耦合以及难以捉摸的暗物质的约束条件。

　　仿真中的暗物质与气体

　　图片来源：Illustris Collaboration

　　光学时钟和改进的晶体硅谐振腔可以改进暗物质与标准模型中场和粒子可能相互作用的约束条件。

　　除了星系尺度和宇宙尺度的引力效应来间接证明暗物质的存在以外，我们对于暗物质的性质所知甚少。通过对暗物质与标准物理模型中粒子耦合的理论分析，得到的结果之一就是基本常数的振荡。叶军和他的合作伙伴们认为，如果他们世界顶尖的测量仪器都无法探测到这些振荡，那么这个明显无效的结果可以证明，暗物质与标准物理模型中粒子相互作用的强度必然比目前约束条件得到的强度更低。

　　为基本常量值计时

　　之前从研究室中的试验到大型粒子对撞项目，如那些大型强子对撞机（LHC）中的项目，都在试图找到暗物质的直接证据。其中许多尝试都致力于找到符合暗物质理论的相互作用，例如暗物质与大质量弱相互作用粒子（WIMPs，在100GeV内且质量与银原子相近）或轴粒子（一种为了解释粒子物理原理而假想的粒子）的相互作用。但是，叶军和他的合作伙伴们通过光学时钟和谐振腔器件，追踪到暗物质与远的质谱图下端范围内粒子可能的相互作用，低于1eV的粒子比电子的静止质量还要小50万倍。

　　光学时钟是一种原子钟。最初的原子钟是利用铯133的超精细跃迁制成的，当铯133原子中的电子发生自旋变化时，原子能级的变化会放出微波频率范围的电磁辐射。但是，锶原子中电子轨道间跃迁产生的能量变化对应更高的光学频率波段，现在的技术已经可以测量这些跃迁，甚至更高准度的时间计量也可以做到。此外，由于光学钟的频率与一些基本常数直接相关，这为测量这些数值的可能变化提供了一种准确度极高的途径。

　　锶原子钟 

　　图片来源：网络

　　叶军和他的合作伙伴们通过光学时钟来寻找基本常数α的细微变化，α是精细结构常数，由带电粒子与光子的相互作用强度来定义。为此，他们比较了用于光学时钟和晶体硅光学谐振腔中的锶原子的频率，晶体硅光学谐振腔是一种用于激光器中的装置，可以使电磁波在相对的反射面间来回反射并根据谐振腔尺寸形成特征频率的驻波。这两个设备的频率由α和me（另一个基本常数，电子质量）决定但是相关度不同，因此这两个频率的比值可以表征常数α的微小变化。

　　叶军说道：“人们已经利用微波频率的原子钟约束暗物质耦合强度的极限，但是这项工作将表现光学原子钟在约束暗物质振荡信号中使用的首次成果。”

　　在将谐振腔频率与原子钟频率对比以外，研究人员还将其与氢微波激射器的频率相对比，这是一种基于氢原子中不同电子与原子核自旋态间跃迁产生的辐射的微波频率标准。尽管氢微波激射器并没有像锶基光学时钟那样准确的时间计量，但是能量跃迁使得它可以得到一个不同的频率与常数α和me的相关关系，这样，氢微波激射器与晶体硅光学谐振腔的频率之比也可以研究me的数值变化。α数值的振荡表明暗物质与电磁场的相互作用，me数值的振荡表明暗物质与电子质量的相互作用。

　　得到的谐振腔与光学时钟和氢微波激射器的频率之比还利用了另一个关键的优势——晶体硅光学谐振腔的稳定性。Colin Kennedy是叶军团队中的一员，并且在这些结果的报告中作为第一作者，他强调了使用由单晶硅制成的谐振腔的好处，他如是解释道“大多数谐振腔是由玻璃制成，这种无序非晶形固体有大量的空间漂移和不稳定性。而新型的谐振腔由单晶硅制成并保持低温，使得其数量级更为稳定。这是我们成果的关键优势。”

　　逼近暗物质

　　尽管如预期的那样，研究人员们并没有观测到因与暗物质相互作用而产生的基本常数的振荡，但是他们的数据缩小了相互作用参数的取值范围。结果表明，对于质量在4.5×10 -16eV到1×10 -19eV的暗物质粒子，由α确定的暗物质相互作用的可能强度被一个高达5的因子所制约，而对于质量在2×10 -19eV到2×10 -21eV的暗物质粒子，由me确定的暗物质相互作用的可能强度被一个高达100的因子所制约。

　　“使用光学空腔谐振频率与原子频率作比较的想法在我与Victor Flambaum教授的邮件交流中第一次被提出。”叶军回忆着他们在2015年的交流。尽管Flambaum很快写了一篇论文叙述他们探讨的基本想法，叶军说他“想看到实验结果，于是我们走到了这一步。”

『天文时刻』 牧夫出品

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左边的NGC 2799星系似乎正在被拉进右边NGC 2798星系的中心

原图链接：https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2020/hubble-views-a-galactic-waterfall