用光原子钟探测暗物质：一项突破性的实验

暗物质是宇宙中最神秘的成分之一，它占据了宇宙物质的大部分，但却很难被直接探测到。目前，有许多理论模型试图解释暗物质的本质，其中一种可能性是暗物质由超轻的玻色子组成。这些玻色子可以与普通物质的某些性质产生微弱的相互作用，例如电磁相互作用。如果暗物质与光子有标量耦合，那么它会导致基本物理常数之一——精细结构常数——随时间或空间发生振荡。

精细结构常数是描述电磁相互作用强度的无量纲常数，它决定了原子和分子的能级结构和跃迁频率。因此，如果精细结构常数发生变化，那么最先感知到的就是高精度的光原子钟，它们可以测量不同原子或同种原子不同跃迁之间的频率比。这些频率比应该是恒定不变的，除非有新的物理机制干扰了它们。

德国布伦瑞克的物理技术联邦研究所（PTB）的一组科学家利用两种光原子钟进行了长期的频率比测量，以寻找精细结构常数振荡的迹象。他们在最近发表在《物理评论快报》上的论文中报告了他们的结果，并给出了暗物质与光子耦合强度的新限制。

他们使用的两种光原子钟分别是基于钇（Yb）单离子和锶（Sr）原子晶格的钟。钇单离子钟利用了钇离子内部的两种电偶极（E2）跃迁和一种电八极（E3）跃迁，它们分别对应于不同的频率νE2和νE3。锶原子晶格钟利用了锶原子内部的一种电偶极跃迁，对应于频率νSr。这些跃迁都涉及到钇或锶原子核外层的一个电子，因此它们都受到精细结构常数α的影响。如果α发生变化，那么这些跃迁频率也会随之变化，从而导致频率比νE3/νE2和νE3/νSr发生变化。

科学家们通过交替地 interrogating 两种钇离子跃迁来测量第一个频率比，并通过将钇单离子钟与锶原子晶格钟进行比较来测量第二个频率比。他们对这两个频率比进行了长达两年多的连续测量，并用傅里叶变换分析了它们的振荡模式。他们没有发现任何明显的振荡信号，这意味着精细结构常数在测量期间保持稳定，或者其变化幅度低于光原子钟的灵敏度。

基于这一结果，科学家们给出了暗物质与光子耦合强度的新限制，对于暗物质质量在10-23到10-18电子伏特（eV）范围内的超轻玻色子，他们的限制比以前的研究提高了一个数量级以上。他们还利用νE3/νE2的重复测量，改进了精细结构常数的线性漂移和其与引力的耦合的现有限制。

这项研究展示了光原子钟在探索新物理现象方面的巨大潜力，它们不仅可以提供对基本常数的精确测量，还可以对暗物质等难以察觉的宇宙成分进行敏感的探测。未来，随着光原子钟技术的进一步发展和多种原子钟之间的比较，可能会揭示更多有关暗物质性质和行为的信息。