暗物質(zhì)能與光子相互作用并影響原子結(jié)構(gòu)嗎？光學(xué)原子鐘的案例：在聯(lián)邦物理技術(shù)學(xué)院（PTB）的DQ-mat和卓越量子前沿集群的范圍內(nèi)，對(duì)兩種不同類型的此類時(shí)鐘進(jìn)行了比較。這是迄今為止對(duì)超輕暗物質(zhì)與光子相互作用的最準(zhǔn)確搜索。

通過這項(xiàng)工作，在廣泛的暗物質(zhì)粒子質(zhì)量范圍內(nèi)，可能的耦合的現(xiàn)有檢測(cè)限已經(jīng)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。雖然沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)耦合的證據(jù)，但這項(xiàng)工作使我們更接近于理解暗物質(zhì)的性質(zhì)和潛在的相互作用。調(diào)查結(jié)果已發(fā)表在當(dāng)前一期的《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

了尋找暗物質(zhì)，比較了三個(gè)原子鐘：兩個(gè)時(shí)鐘使用存儲(chǔ)在離子阱中的單個(gè)離子（左），第三個(gè)原子鐘使用光學(xué)晶格中的大約1000個(gè)中性原子（右）。

天文觀測(cè)表明存在所謂的“暗物質(zhì)”，它占所有物質(zhì)的80%以上，據(jù)我們所知，它僅通過重力與普通可見物質(zhì)相互作用。特別是，尚未建立與光子（其基本粒子也構(gòu)成光）相互作用的證據(jù) - 因此這種類型的物質(zhì)被稱為“暗”。暗物質(zhì)是由什么組成的，以及是否與仍然未知的常規(guī)物質(zhì)相互作用仍然是一個(gè)很大的謎。

一種特別有前途的理論方法意味著暗物質(zhì)可以由極輕的粒子組成，其行為更像波而不是單個(gè)粒子：所謂的“超輕”暗物質(zhì)。在這種情況下，以前未發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)與光子的弱相互作用將導(dǎo)致精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的微小振蕩。

精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是描述電磁相互作用強(qiáng)度的自然常數(shù)。它決定了原子能尺度，從而影響在原子鐘中用作參考的躍遷頻率。由于不同的躍遷對(duì)常數(shù)的可能變化敏感程度不同，因此可以使用原子鐘的比較來尋找超輕暗物質(zhì)。為此，PTB的研究人員現(xiàn)在使用了一種原子鐘，該原子鐘對(duì)這種搜索中精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的可能變化特別敏感。

為此，在長達(dá)數(shù)月的測(cè)量中，將這種靈敏的原子鐘與另外兩個(gè)靈敏度較低的原子鐘進(jìn)行了比較。對(duì)所得測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了振蕩研究，這是超輕暗物質(zhì)的特征。由于沒有發(fā)現(xiàn)明顯的振蕩，暗物質(zhì)即使在仔細(xì)檢查下仍然是“暗的”。因此，沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)神秘暗物質(zhì)的探測(cè)。由于沒有信號(hào)，可以確定超輕物質(zhì)與光子可能耦合強(qiáng)度的新實(shí)驗(yàn)上限。以前的限制在很寬的范圍內(nèi)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

同時(shí)，研究人員還研究了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是否會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，例如通過非常緩慢地增加或減少。數(shù)據(jù)中未檢測(cè)到這種變化。在這里，現(xiàn)有的限制也收緊了，表明即使在很長一段時(shí)間內(nèi)，常數(shù)也保持不變。

與以前的時(shí)鐘比較相比，每個(gè)原子鐘都需要自己的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，三個(gè)原子鐘中的兩個(gè)是在這項(xiàng)工作的單個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)現(xiàn)的。為此，使用了單個(gè)捕獲離子的兩種不同躍遷頻率：在兩個(gè)光學(xué)躍遷上交替詢問離子。這是使光學(xué)頻率比較更加緊湊和穩(wěn)健的重要一步， 例如用于未來在太空中尋找暗物質(zhì)。

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