先进的原子钟使寻找难以捉摸的暗物质的范围缩小

JILA的研究人员使用了最先进的原子钟来缩小对难以捉摸的暗物质的搜索范围，这是一个不断改进的时钟如何超越计时的价值的例子。

在微波频率下工作的较早原子钟以前一直在寻找暗物质，但这是第一次在较高光频率下工作的较新原子钟以及用于确保稳定光波的超稳定振荡器用于确定更精确的界线。搜索。该研究在《物理评论快报》中进行了描述。

天体物理学的观察表明，暗物质构成了宇宙中“物质”的大部分，但到目前为止，它还没有被捕获。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，该物质理论上具有微小质量（远小于单个电子）和巨大的波长（粒子在太空​​中扩散的距离），可能与矮星系的大小一样大。这种类型的暗物质在重力作用下将与星系结合，从而与普通物质结合。

预计超轻暗物质会在两个基本物理“常数”上产生微小的波动：电子质量和精细结构常数。JILA团队使用锶晶格时钟和氢微波激射器（激光的微波版本）分别将其众所周知的光学和微波频率与在由单晶制成的超稳定腔中产生共振的光的频率进行比较。纯硅。所得的频率比对两个常数随时间的变化敏感。比率和常数的相对波动可以用作将暗物质的宇宙学模型与公认的物理学理论联系起来的传感器。

JILA团队在地板上为“正常”波动设置了新的限制，超过此限制，以后发现的任何异常信号可能是由于暗物质引起的。研究人员将超轻暗物质与电子质量的耦合强度和精细结构常数限制在10-5（十万分之一）或更小的数量级，这是有史以来最精确的测量值。

JILA由美国国家标准技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。

NIST / JILA研究员Jun Ye说：“实际上没有人知道您将在实验室测量中看到什么浓度的暗物质。”“问题在于我们所知道的物理学在这一点上还不是很完整。我们知道有些东西丢失了，但是我们还不知道如何解决它。”

叶补充说：“我们从天文学的观测中知道暗物质的存在，但我们不知道暗物质如何与普通物质和我们测量的值联系起来。”“像我们这样的实验使我们能够测试人们为了探索暗物质的性质而组合在一起的各种理论模型。通过设定越来越好的界限，我们希望排除一些错误的理论模型，并最终在将来做出发现。”

叶说，科学家们不确定暗物质是否由影响局部环境的颗粒或振荡场组成。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。

原子钟是暗物质的主要探测器，因为它们可以检测基本常数的变化，并且在精度，稳定性和可靠性方面正在迅速提高。腔体的稳定性也是新测量中的关键因素。空腔中光的共振频率取决于空腔的长度，该长度可以追溯到玻尔半径（物理常数等于氢原子中原子核与电子之间的距离）。玻尔半径还与精细结构常数和电子质量的值有关。因此，与原子中的跃迁频率相比，谐振频率的变化可以指示由暗物质引起的这些常数的波动。

研究人员在30％的时间运行时钟的情况下，收集了12天的锶/腔频率比数据，得出的数据集为978,041秒。氢气maser数据跨度33天，其中maser运行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时钟稳定并且产生噪声更大的信号。

JILA的研究人员在最近的改进时标演示中收集了暗物质搜索数据，该系统结合了来自多个原子钟的数据，以产生单个高度精确的计时信号进行分配。随着原子钟，光腔和时标的性能在未来得到改善，可以以更高的分辨率重新检查频率比，从而进一步扩展了暗物质搜索的范围。

叶说：“任何时候只要运行一个光学原子时标，就有机会设定一个新的界限或发现暗物质。”“将来，当我们可以将这些新系统送入轨道时，它将成为有史以来为寻找暗物质而建造的最大的'望远镜'。”

参考：“精密计量学与宇宙学：原子腔频率比较对超轻暗物质的改进约束”，作者：Colin J. Kennedy，Eric Oelker，John M. Robinson，Tobias Bothwell，Dhruv Kedar，William R. Milner，G。Edward Marti，Andrei Derevianko和Jun Ye，12 2020年11月，《物理复函》 .DOI：
10.1103 / PhysRevLett.125.201302

资金由NIST，国防高级研究计划局和国家科学基金会提供。