利用光学原子钟研究暗物质的相互作用

暗物质能与光子相互作用并影响原子结构吗？光学原子钟的案例：在联邦物理技术学院（PTB）的DQ-mat和卓越量子前沿集群的范围内，对两种不同类型的此类时钟进行了比较。这是迄今为止对超轻暗物质与光子相互作用的最准确搜索。

通过这项工作，在广泛的暗物质粒子质量范围内，可能的耦合的现有检测限已经提高了一个数量级以上。虽然没有发现暗物质耦合的证据，但这项工作使我们更接近于理解暗物质的性质和潜在的相互作用。调查结果已发表在当前一期的《物理评论快报》杂志上。

了寻找暗物质，比较了三个原子钟：两个时钟使用存储在离子阱中的单个离子（左），第三个原子钟使用光学晶格中的大约1000个中性原子（右）。

天文观测表明存在所谓的“暗物质”，它占所有物质的80%以上，据我们所知，它仅通过重力与普通可见物质相互作用。特别是，尚未建立与光子（其基本粒子也构成光）相互作用的证据 - 因此这种类型的物质被称为“暗”。暗物质是由什么组成的，以及是否与仍然未知的常规物质相互作用仍然是一个很大的谜。

一种特别有前途的理论方法意味着暗物质可以由极轻的粒子组成，其行为更像波而不是单个粒子：所谓的“超轻”暗物质。在这种情况下，以前未发现的暗物质与光子的弱相互作用将导致精细结构常数的微小振荡。

精细结构常数是描述电磁相互作用强度的自然常数。它决定了原子能尺度，从而影响在原子钟中用作参考的跃迁频率。由于不同的跃迁对常数的可能变化敏感程度不同，因此可以使用原子钟的比较来寻找超轻暗物质。为此，PTB的研究人员现在使用了一种原子钟，该原子钟对这种搜索中精细结构常数的可能变化特别敏感。

为此，在长达数月的测量中，将这种灵敏的原子钟与另外两个灵敏度较低的原子钟进行了比较。对所得测量数据进行了振荡研究，这是超轻暗物质的特征。由于没有发现明显的振荡，暗物质即使在仔细检查下仍然是“暗的”。因此，没有实现对神秘暗物质的探测。由于没有信号，可以确定超轻物质与光子可能耦合强度的新实验上限。以前的限制在很宽的范围内提高了一个数量级以上。

同时，研究人员还研究了精细结构常数是否会随着时间的推移而变化，例如通过非常缓慢地增加或减少。数据中未检测到这种变化。在这里，现有的限制也收紧了，表明即使在很长一段时间内，常数也保持不变。

与以前的时钟比较相比，每个原子钟都需要自己的实验系统，三个原子钟中的两个是在这项工作的单个实验装置中实现的。为此，使用了单个捕获离子的两种不同跃迁频率：在两个光学跃迁上交替询问离子。这是使光学频率比较更加紧凑和稳健的重要一步， 例如用于未来在太空中寻找暗物质。

相关链接：https://phys.org/news/2023-06-dark-interactions-optical-atomic-clocks.html