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只用时钟就能找到暗物质粒子撬动现代物理的基石_[#第一枪]

发布时间:2021-06-07 15:59:31 阅读: 来源:牙粉厂家

叶军实验室的锶原子钟

另类暗物质候选者

Flambaum并不是第一个提议用原子钟来捕捉暗物质踪迹的人。2014年,两位科学家意识到另一类原子钟可以用来探索新物理定律——这类原子钟已经环绕地球超过20年。用于全球定位系统(GPS)的卫星中内含原子钟,用于计算与地球上每一个点的距离。这种原子钟采用微波计时,精度与实验室中有极高工艺水平的原子钟相差了十万倍。但是它们非常可靠,并且始终处于可启用状态。在1996年这些原子钟的数据解密以后,NASA喷气推进实验室的地球科学家建立了接收器,来下载并且储存它们得到的时间数据;时间数据存在轻微的波动,这可能是由于地壳的轻微振动所引起的。

加拿大圆周理论物理研究所的物理学家Maxim Pospelov和内华达大学的物理学家Andrei Derevianko提出用GPS系统的数据来寻找暗物质。虽然不少科学家认为暗物质可能是至今没有寻找到的弱相互作用大质量粒子(WIMPS),但它也可能由其他有弱相互作用的物质组成。

有一种暗物质假说包含了普遍存在的超轻量粒子,其质量小于电子质量的一百万分之一。在宇宙大爆炸之后,这些存在于假说中的暗物质粒子可能被冻结为团块状、弦状或墙状。当地球进入或离开与地球大小相当的暗物质团时,暗物质可能会对精细结构常数产生轻微的影响,从而改变卫星上原子钟的频率。时钟突然的变化可能会像波一样传遍整个GPS系统。“目前这仅仅是一个猜测,”Pospelov承认,“但是我们还没有一个合适而且可靠的暗物质模型。所以这个模型的提出或许是一件不错的事情。”

2017年秋天,Derevianko、Pospelov和他们的同事称,他们在长达16年的GPS系统数据中还没有发现暗物质的踪迹——也就是计时的突然变化,这意味着“拓扑”暗物质理论的限制范围缩小到一千至十万分之一(取决于暗物质团块理论上的尺寸)。

与此同时,圆周理论物理研究所的理论物理学家Asimina Arvanitaki在考虑探测另一类暗物质候选者的可能性,它们是从试图统一相对论和量子力学的理论中自然诞生的。这些理论中包含了著名的弦论,微小的、无自旋的“类伸缩子”粒子形成了在空间弥漫的场,进而影响alpha常数等基本物理常数。Arvanitaki表示,因为这种粒子与正常物质之间的相互作用非常微弱,它们可能是神秘的暗物质的一个重要组成部分。

像其他粒子一样,与伸缩子类似的暗物质粒子与量子波有关。并且就像很多可以形成激光的粒子一样,多达10100个暗物质粒子的集合将会自然地形成一束能量巨大且协调的波,其频率和振幅与粒子的质量相关。原子能级以及原子钟的振动频率将会在这种波的频率附近轻微波动。

不幸的是,弦论没能计算出这个频率。它可能是秒量级,年量级,或者介于它们之间。还好一种叫做傅里叶变换的数学技巧使分析杂乱无章的振动信号成为可能。唯一的限制因素是时间:实验物理学家同时进行两组原子钟频率测定实验,其持续时间时间越长,能寻找的频率区间就越宽。“原则上任何拥有原子钟的人都可以做这个实验,“Arvanitaki说。

在Arvanitaki的论文发表于论文预印本网站arxiv.org几周后,加州大学伯克利分校的物理学家Dmitry Budker告诉她,他正在试图寻找从镝原子电子跃迁数据中找到这个频率的振动。过了一段时间Budker发表了他的结果,他没有观测到这个特定频率的振动。这项研究将类伸缩子暗物质和普通物质相互作用的限制缩小到一万分之一。不到两年后,巴黎天文台的一个课题组用他们测量铯原子钟和铷原子钟的数据把上述的相互作用限制范围再次缩小了10倍。

实验物理学家通常需要花费数年来将理论精度提高一个数量级。10000倍的精度提升是一个很大的突破。“这个领域还有很多工作等待发掘,”Arvanitaki说,“你完全可以通过较为简单的工作而取得重大突破。”

旧数据推动新实验

上述科学家们的工作掀起了一股分析旧数据的浪潮。在David Hume之后,一位工作于NIST的物理学家在读了Budker的论文并收到Flambaum同事的邮件后,开始分析他的实验室在21世纪初测量铝-汞原子钟的数据。他发现他已经有了世界上用于验证类伸缩子暗物质的最佳数据集。他目前忙于制作性能更好的新原子钟,来测量精细结构常数是否在过去的几十年中产生变动。这项测量很有可能在Peik最新结果的基础上进一步提高精度。

2015年收到Flambaum的邮件时,叶军正在对课题组里的锶原子钟进行进一步完善,它将会在不久之后打破课题组之前保持的精度记录。他对于探测暗物质的提议非常感兴趣,但是他也在提议中加入了自己的想法。原本的实验方案是将他课题组里的锶原子钟频率与其他类型的原子钟频率进行比较,他提出了替代实验方案,即比较锶原子钟频率和组里用来稳定激光的孔状单晶硅直径。叶军解释道,单晶硅中的孔本身就可以测量精细结构常数的变化,因为孔直径是玻尔直径(原子直径)的整数倍,而玻尔直径受精细结构常数影响。在2017年末,他启动了世界上首项搜寻类伸缩子暗物质的精密实验。迄今为止他已经收集了两个月的数据,并且很有信心地认为这项实验将会刷新目前已发表测量结果的精度。

目前用原子钟寻找暗物质的实验方案层出不穷,叶军希望通过课题组新建的原子钟,他们可以探索其他关于暗物质的假设,例如2015年Flambaum的邮件中提到的原子钟计时中断。Derevianko设想,将世界上精度最高的原子钟通过光缆相互连接并同时运行,他计算后认为这个实验方案比GPS卫星上的原子钟测量精度高10000倍。在过去两年间,伦敦、巴黎和布伦瑞克已经建立了光纤网络,但将网络扩展到欧洲之外还需要更发达的光纤和卫星通信技术。Derevianko和Budker也在尝试说服原子物理学家公开高精度的数据档案数据,以便于验证层出不穷的新猜想。

物理学家认为,在没有一个令人满意的理论存在的情况下,这种尽一切可能的方法是正确的策略。“我认为研究者应该穷尽任何可能有新发现的领域。”特拉华大学的理论物理学家Marianna Safronova说。但是原子钟也会存在精度极限,因为物理学家已经花费几十年的时间来完善原子钟技术,从而更加精确地测量时间。“我们不会为了一些费时费力的实验而建造一个超大型的新机器。”Peik说。

包括Peik在内的数个课题组正在关注一种新提出的原子钟,它不是基于电子能级跃迁,而是原子核内的能级跃迁。大多数的原子核内跃迁的频率极高,但是幸运的是,一种钍同位素的核内跃迁频率落在了激光所能达到的频率范围之内。科学家尚不知道这个频率的确切值,而且激光技术需要进一步发展。但是基于这种原理的原子钟在理论上还是会比当今世界上最好的光学原子钟精确一个数量级。更加精确的原子钟可能在探测引力波和验证量子引力理论等方面有潜在的应用,叶军表示。

确实,如Arvanitaki所说,这样的原子钟“将会是极精确的测量一切基本物理量的工具。”

原文链接:

https://www.quantamagazine.org/ultra-accurate-clocks-lead-search-for-new-laws-of-physics-20180416/

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