向着暗物質，步步緊逼_風聞

　　翻譯：葛文迪

　　校對：牧夫天文校對組

　　編排：胡暖暖

　　後台：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤

　　原文鏈接：https://phys.org/news/2020-10-precision-metrology-dark.html

　　光學時鐘極為精確，兩百億年才會有一秒的偏差，這比目前宇宙的年齡還要長。日前，由葉軍帶領的來自美國國家標準技術研究院和科羅拉多大學的研究者們，利用光學時鐘的精準性和晶體硅光學諧振腔前所未有的穩定性，收緊了對標準物理模型中粒子與場可能的耦合以及難以捉摸的暗物質的約束條件。

　　仿真中的暗物質與氣體

　　圖片來源：Illustris Collaboration

　　光學時鐘和改進的晶體硅諧振腔可以改進暗物質與標準模型中場和粒子可能相互作用的約束條件。

　　除了星系尺度和宇宙尺度的引力效應來間接證明暗物質的存在以外，我們對於暗物質的性質所知甚少。通過對暗物質與標準物理模型中粒子耦合的理論分析，得到的結果之一就是基本常數的振盪。葉軍和他的合作伙伴們認為，如果他們世界頂尖的測量儀器都無法探測到這些振盪，那麼這個明顯無效的結果可以證明，暗物質與標準物理模型中粒子相互作用的強度必然比目前約束條件得到的強度更低。

　　為基本常量值計時

　　之前從研究室中的試驗到大型粒子對撞項目，如那些大型強子對撞機（LHC）中的項目，都在試圖找到暗物質的直接證據。其中許多嘗試都致力於找到符合暗物質理論的相互作用，例如暗物質與大質量弱相互作用粒子（WIMPs，在100GeV內且質量與銀原子相近）或軸粒子（一種為了解釋粒子物理原理而假想的粒子）的相互作用。但是，葉軍和他的合作伙伴們通過光學時鐘和諧振腔器件，追蹤到暗物質與遠的質譜圖下端範圍內粒子可能的相互作用，低於1eV的粒子比電子的靜止質量還要小50萬倍。

　　光學時鐘是一種原子鐘。最初的原子鐘是利用銫133的超精細躍遷製成的，當銫133原子中的電子發生自旋變化時，原子能級的變化會放出微波頻率範圍的電磁輻射。但是，鍶原子中電子軌道間躍遷產生的能量變化對應更高的光學頻率波段，現在的技術已經可以測量這些躍遷，甚至更高準度的時間計量也可以做到。此外，由於光學鐘的頻率與一些基本常數直接相關，這為測量這些數值的可能變化提供了一種準確度極高的途徑。

　　鍶原子鐘 

　　圖片來源：網絡

　　葉軍和他的合作伙伴們通過光學時鐘來尋找基本常數α的細微變化，α是精細結構常數，由帶電粒子與光子的相互作用強度來定義。為此，他們比較了用於光學時鐘和晶體硅光學諧振腔中的鍶原子的頻率，晶體硅光學諧振腔是一種用於激光器中的裝置，可以使電磁波在相對的反射面間來回反射並根據諧振腔尺寸形成特徵頻率的駐波。這兩個設備的頻率由α和me（另一個基本常數，電子質量）決定但是相關度不同，因此這兩個頻率的比值可以表徵常數α的微小變化。

　　葉軍説道：“人們已經利用微波頻率的原子鐘約束暗物質耦合強度的極限，但是這項工作將表現光學原子鐘在約束暗物質振盪信號中使用的首次成果。”

　　在將諧振腔頻率與原子鐘頻率對比以外，研究人員還將其與氫微波激射器的頻率相對比，這是一種基於氫原子中不同電子與原子核自旋態間躍遷產生的輻射的微波頻率標準。儘管氫微波激射器並沒有像鍶基光學時鐘那樣準確的時間計量，但是能量躍遷使得它可以得到一個不同的頻率與常數α和me的相關關係，這樣，氫微波激射器與晶體硅光學諧振腔的頻率之比也可以研究me的數值變化。α數值的振盪表明暗物質與電磁場的相互作用，me數值的振盪表明暗物質與電子質量的相互作用。

　　得到的諧振腔與光學時鐘和氫微波激射器的頻率之比還利用了另一個關鍵的優勢——晶體硅光學諧振腔的穩定性。Colin Kennedy是葉軍團隊中的一員，並且在這些結果的報告中作為第一作者，他強調了使用由單晶硅製成的諧振腔的好處，他如是解釋道“大多數諧振腔是由玻璃製成，這種無序非晶形固體有大量的空間漂移和不穩定性。而新型的諧振腔由單晶硅製成並保持低温，使得其數量級更為穩定。這是我們成果的關鍵優勢。”

　　逼近暗物質

　　儘管如預期的那樣，研究人員們並沒有觀測到因與暗物質相互作用而產生的基本常數的振盪，但是他們的數據縮小了相互作用參數的取值範圍。結果表明，對於質量在4.5×10 -16eV到1×10 -19eV的暗物質粒子，由α確定的暗物質相互作用的可能強度被一個高達5的因子所制約，而對於質量在2×10 -19eV到2×10 -21eV的暗物質粒子，由me確定的暗物質相互作用的可能強度被一個高達100的因子所制約。

　　“使用光學空腔諧振頻率與原子頻率作比較的想法在我與Victor Flambaum教授的郵件交流中第一次被提出。”葉軍回憶着他們在2015年的交流。儘管Flambaum很快寫了一篇論文敍述他們探討的基本想法，葉軍説他“想看到實驗結果，於是我們走到了這一步。”

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左邊的NGC 2799星系似乎正在被拉進右邊NGC 2798星系的中心

原圖鏈接：https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2020/hubble-views-a-galactic-waterfall