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ν_E2和ν_E3。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ν_Sr。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ν_E3/ν_E2和ν_E3/ν_Sr发生变化。