物理学家正在利用钍-229 不寻常的核特性来开发一种超精确的“核钟”，能够探测到比重力弱 10 万亿倍的力。这种灵敏度可能使其成为发现暗物质难以捉摸的影响的终极工具，暗物质会巧妙地扭曲普通物质的性质。
近百年来，世界各地的研究人员一直在努力探究暗物质的本质。暗物质是一种不可见的物质，据信约占宇宙总质量的80%。这种神秘物质对于解释许多观测到的宇宙现象至关重要，但迄今为止，任何直接实验都无法探测到它。
科学家们探索了各种各样的方法来寻找它，从尝试在高能粒子加速器中制造暗物质粒子，到寻找它可能发出的微弱宇宙辐射。尽管做出了这些努力，但它的核心特性仍然在很大程度上未知。虽然暗物质不与光相互作用，但它被认为会微妙地影响可见物质的行为，但这种影响非常微妙，以至于现有的仪器无法直接测量。
专家建议，建造一台核钟（一种基于原子核振荡测量时间的装置）或许能够探测到暗物质的影响。这种时钟非常精确，即使是其时间上最微小的波动也能预示暗物质的存在。去年，德国和科罗拉多州的研究团队在建造这种时钟的早期阶段使用了放射性同位素钍-229，取得了重要的里程碑式进展，这是一个重要的进步。
当魏茨曼科学研究所吉拉德·佩雷斯教授理论物理小组的科学家们了解到这一进展时，他们看到了一个无需等待原子核钟完全投入使用就能为暗物质探索做出贡献的机会。他们与德国研究人员合作，开发了一种新的策略，用于探测暗物质如何微妙地改变钍-229原子核的性质，并将其发表在《物理评论X》上。
钍-229的独特性质
就像推着孩子荡秋千需要掌握正确的时机才能保持平稳、一致的运动一样，原子核也有一个最佳振荡频率，在物理学中被称为共振频率。恰好在这个频率下的辐射可以使原子核像钟摆一样在两个量子态之间“摆动”：基态和高能态。
在大多数材料中，这种共振频率很高，需要强辐射才能激发原子核。但在1976年，科学家发现，美国核计划的副产品钍-229是一个罕见的例外。它的固有共振频率足够低，可以用标准激光技术利用相对较弱的紫外线进行操控。这使得钍-229成为研制核钟的有希望的候选材料。在核钟中，时间是通过原子核在量子态之间“摆动”来测量的，就像传统时钟中的钟摆一样。
“核钟将成为终极探测器——能够感知比重力弱 10 万亿倍的力，其分辨率是当今暗物质搜索的 10 万倍。”
然而，核钟的进展却在最初阶段就停滞了，当时科学家们试图以最高精度测量钍-229的共振频率。为了确定原子核的共振频率，物理学家们用不同频率的激光照射原子核，观察它在量子态之间跃迁时吸收或释放的能量。根据这些结果，他们构建了一个吸收光谱，并将导致峰值吸收的频率作为原子核的共振频率。
近五十年来，科学家们一直无法以足够高的精度测量钍-229的共振频率来构建核钟，但去年取得了两项重大进展。首先，德国国家计量研究院（PTB）的一个团队发表了相对精确的测量结果。几个月后，科罗拉多大学的一个团队发布了精度高达数百万倍的结果。
暗物质的微妙指纹
“我们仍然需要更高的精度来开发核钟，”佩雷斯说，“但我们已经发现了研究暗物质的机会。” 他解释说：“在一个仅由可见物质组成的宇宙中，任何物质的物理条件和吸收光谱都将保持不变。但由于暗物质环绕着我们，其波动性可以微妙地改变原子核的质量，并导致其吸收光谱发生暂时性偏移。我们假设，能够高精度地探测钍-229吸收光谱的微小偏差，可以揭示暗物质的影响，并帮助我们研究其特性。”
由佩雷斯团队的沃尔夫拉姆·拉辛格博士和其他博士后研究员领导的研究小组所做的理论计算表明，即使暗物质比引力弱 1 亿倍，新的测量方法也能探测到暗物质的影响，而引力本身就很弱，在日常生活中我们很少会想到它。
“这是一个尚未有人寻找暗物质的区域，”拉辛格说道。“我们的计算表明，仅仅寻找共振频率的变化是不够的。我们需要识别整个吸收光谱的变化才能探测到暗物质的影响。虽然我们还没有发现这些变化，但我们已经为理解它们在何时出现奠定了基础。一旦我们检测到偏差，我们就可以利用它的强度和出现的频率来计算造成偏差的暗物质粒子的质量。”
在研究的后期，我们还计算了不同的暗物质模型会如何影响钍-229的吸收光谱。我们希望这最终有助于确定哪些模型是准确的，以及暗物质究竟是由什么构成的。
暗物质研究之外的潜力
与此同时，世界各地的实验室正在继续改进钍-229共振频率的测量方法，预计这一过程将耗时数年。如果最终研制出核钟，它将彻底改变许多领域，包括地球和太空导航、通信、电网管理和科学研究。
当今最精确的计时装置是原子钟，它依赖于电子在两个量子态之间的振荡。原子钟精度极高，但也有一个显著的缺点：它们容易受到环境电干扰，从而影响其一致性。相比之下，原子核对此类干扰的敏感度要低得多。
根据暗物质的领先模型，这种神秘物质由无数粒子组成，每个粒子的质量至少比单个电子小 1000000 倍。
“说到暗物质，”佩雷斯说，“基于钍-229的核钟将是终极探测器。目前，电子干扰限制了我们使用原子钟进行搜索的能力。但核钟可以让我们探测到其蛛丝马迹中极其微小的偏差——也就是共振频率的微小变化——这可能揭示暗物质的影响。我们估计，它将使我们能够探测到比引力弱10万亿倍的力，其分辨率将比我们目前在暗物质搜索中所使用的分辨率高出10万倍。”
编译自/scitechdaily
