- 在不同的同位素的原子跃迁频率可以探测一个假设的存在的暗物质粒子。
极轻且相互作用微弱的粒子可能在宇宙学和正在进行的暗物质研究中发挥关键作用。然而，不幸的是，到目前为止，使用现有的高能对撞机很难探测到这些粒子。因此，世界各地的研究人员一直在努力开发可探测这些粒子的技术和方法。在过去的几年里，世界各地不同研究所的粒子和原子物理学家合作开发了一种新技术，可以用来探测非常轻的玻色子与中子或电子之间的相互作用。事实上，光玻色子应该会改变原子和离子中的电子能级，这种改变可以用这些研究小组提出的技术检测到。使用这种方法，两个不同的研究小组（一个丹麦奥尔胡斯大学的，另一个在麻省理工学院）最近进行的实验，旨在收集提示暗玻色子的存在，一种难以捉摸的粒子，暗物质是最有可能的“候选人”。他们的发现发表在《物理评论快报》上，可能对未来的暗物质实验有重要的影响。从理论上讲，以前从未被观察到的粒子之间的相互作用，比如玻色子，和其他常见的粒子(比如电子)，应该反映在标准模型预测的跃迁频率和实际原子测量的跃迁频率之间的差异上。即使物理学家能够收集到极其精确的频率测量值，基于理论的大原子计算将有如此大的不确定性，以至于它们无法与直接测量值进行可靠的比较。“在之前的工作中使用的技巧是对元素的几个同位素的相同跃迁进行频率测量，并追溯到60年代的拟设（物理术语，意思是工具在工件上的初始放置）”，费米实验室和芝加哥大学的理论物理学家依琳娜说。两种不同同位素的相同跃迁之间的差异称为同位素位移。通过比较至少两个跃迁的至少三个这样的同位素位移，人们就不再需要依靠标准模型中频率的计算了。相反，研究 人员的方法只使用测量值，排列在3个数据点中，每一个数据点都是在一个所谓的King plot中测量到的两个跃迁频率的一对。那么问题就很简单了：这三个点是否像标准模型中预期的那样，在一条直线上？要需要检查排列在4个数据点上的同位素位移。如果这些点构成一条直线，观测结果就与标准模型一致，这表明没有发现新的物理现象。然而，如果它们不是在一条直线上，这可能暗示了新的玻色子或其他物理现象的存在。如果使用这种方法观察到的非线性明显超过标准模型设置的误差，那么研究人员应该能够为他们可能探测到的玻色子的耦合和质量设定新的界限。然而，如果它是出乎意料的大，非线性可能与扰乱电子能级的玻色子有关，或者与标准模型预测的其他物理现象有关，这些物理现象也被认为破坏了同位素位移的线性。使用King plot非线性来寻找新的玻色子，是使用精密原子或分子实验而非高能对撞机来寻找新物理学的众多研究之一。所有这些搜索背后的想法都是高精度的，你可以探测来自粒子的微妙影响，你可能不容易在对撞机中检测到。一般来说，这些实验比对撞机实验小得多，也便宜得多，而且它们提供了一种互补的方法。研究小组使用一种被称为精密光谱学的技术来收集他们的测量结果。这种技术可以用来收集原子中非常精确的频率测量，例如记录原子在不同状态间跃迁时所显示的频率。在他们的实验中，麻省理工学院的研究小组和奥胡斯大学的研究人员分别检测了不同的离子，镱离子和钙离子。“我们的主要目标是在现有已知的力（如标准模型所概括的）之外测试新的力，并在一定程度上将它们排除在外，”麻省理工学院的研究人员说。“这个测试以前也做过，但没有达到我们达到的精确度。为了有效地使用基于精密光谱的方法来搜寻暗玻色子，物理学家需要在10^15赫兹下以“ sub-kHz”的精度测量同一元素的不同同位素的光学跃迁。为了做到这一点，他们将要检测的粒子应该被捕获。奥尔胡斯大学的研究小组收集了更精确的测量数据。在他们的实验中，他们使用了许多过去一个世纪发展起来的技术工具和技术，包括离子阱、激光冷却方法和一种被称为飞秒频率梳激光的特殊工具。除了惊人的和无与伦比的精确性，两个研究小组用5种不同的同位素测量了4个同位素位移，而之前的研究最多收集了4个同位素的测量值。最终，他们的实验使得新玻色子与电子和中子的耦合束缚比之前的束缚提高了30倍，之前的束缚也是基于同位素位移的King Plot设定的。虽然奥胡斯大学的研究小组收集的测量数据是线性的，因此与标准模型的预测相一致，但另一个研究小组观察到线性偏差的统计显著性为3σ。虽然这种偏差可能源于标准模型中的附加条款，但它也可能暗示了暗玻色子的存在。有充分的证据表明存在超越标准模型的物理现象（例如，我们知道宇宙中存在暗物质），但是我们不知道是什么构成了这个新的物理现象。重要的是，要从不同的方向进行实验搜索，排除某些可能性，或者如果一个人非常幸运，在某处发现新的物理现象或新的粒子。我们正在寻找中等质量范围的粒子，实际上我们的灵敏度比使用粒子加速器的直接搜索更好，因为我们在单个原子和量子水平上对系统有很大程度的控制。麻省理工学院的团队和奥胡斯大学的团队都计划对暗玻色子和其他暗物质候选者进行进一步的搜索。他们的工作可能最终为实验观测与暗物质有关的信号铺平道路。研究人员说：“我们现在将以更高的精度继续我们的研究，在新的过渡点上，非线性预计会更大。”“这将最终使我们能够查明我们观察到的非线性的来源，无论是来自核结构，还是来自以前未知的新物理。”在接下来的研究中，奥胡斯大学的研究小组将尝试以更精确的方式测量同位素的位移，因为这将允许他们设定新的界限或检测标准模型预测的新偏差。与此同时，团队成员还将继续探索各种其他主题，从提高光谱和干涉测量的精度到对撞机物理学，以研究希格斯玻色子的性质或寻找新的重离子。“特别是，我们已经与中国武汉的中国科学院的关华教授建立了联系，以启动一项合作，旨在将Ca+ King plot的灵敏度提高到1000倍左右，”奥胡斯研究团队的负责人迈克尔·德莱森说。“这可以通过奥胡斯大学利用不同同位素的两种离子的量子纠缠，对D精细结构的分裂进行大约1000倍的精确测量，以及武汉小组对S-D跃迁的测量，其相对精度可达10^（-17倍）。”我对利用新近获得的关于高电荷钙离子的精确研究来改进我们实验的可能性抱有极大的希望。有了这些额外的数据，我们应该能够消除任何潜在的系统性影响，并确保我们最大限度地利用我们的King plot。
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