暗物質(zhì)能與光子相互作用并影響原子結構嗎？光學原子鐘的案例：在聯(lián)邦物理技術學院（PTB）的DQ-mat和卓越量子前沿集群的范圍內(nèi)，對兩種不同類型的此類時鐘進行了比較。這是迄今為止對超輕暗物質(zhì)與光子相互作用的最準確搜索。

通過這項工作，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)有檢測限已經(jīng)提高了一個數(shù)量級以上。雖然沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)耦合的證據(jù)，但這項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)查結果已發(fā)表在當前一期的《物理評論快報》雜志上。

了尋找暗物質(zhì)，比較了三個原子鐘：兩個時鐘使用存儲在離子阱中的單個離子（左），第三個原子鐘使用光學晶格中的大約1000個中性原子（右）。

天文觀測表明存在所謂的“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致精細結構常數(shù)的微小振蕩。

精細結構常數(shù)是描述電磁相互作用強度的自然常數(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，該原子鐘對這種搜索中精細結構常數(shù)的可能變化特別敏感。

為此，在長達數(shù)月的測量中，將這種靈敏的原子鐘與另外兩個靈敏度較低的原子鐘進行了比較。對所得測量數(shù)據(jù)進行了振蕩研究，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)即使在仔細檢查下仍然是“暗的”。因此，沒有實現(xiàn)對神秘暗物質(zhì)的探測。由于沒有信號，可以確定超輕物質(zhì)與光子可能耦合強度的新實驗上限。以前的限制在很寬的范圍內(nèi)提高了一個數(shù)量級以上。

同時，研究人員還研究了精細結構常數(shù)是否會隨著時間的推移而變化，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間內(nèi)，常數(shù)也保持不變。

與以前的時鐘比較相比，每個原子鐘都需要自己的實驗系統(tǒng)，三個原子鐘中的兩個是在這項工作的單個實驗裝置中實現(xiàn)的。為此，使用了單個捕獲離子的兩種不同躍遷頻率：在兩個光學躍遷上交替詢問離子。這是使光學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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