地球上原子钟可以揭示关于跨宇宙暗物质的秘密

(2023-09-02 14:29:46)

标签：

it

杂谈

地球上原子钟可以揭示关于跨宇宙暗物质的秘密

By Robert Lea

2023/9/2

Science & Astronomy

“原子钟将宇宙学和天体物理学带到地球，使在一个实验室搜索可以解释暗物质的超轻粒子成为可能”。

（左）NPL使用的原子钟（右），子弹星系团两个星系之间一个以表明暗物质的存在的形态学的碰撞。 (Image credit: X-ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al/NPL/University of Sussex)

科学家们正在用原子钟在一个实验室中来调查宇宙的一些最大的奥秘，包括暗物质的性质。在这个过程中，他们说他们正在将宇宙学和天体物理学“带到地球”。

该项目是萨塞克斯大学和英国国家物理实验室（NPL）之间的一个合作，用这些令人难以置信精确的时钟的滴答来狩猎迄今为止未知的超轻粒子。

这些粒子可能被联系到暗物质，暗物质是构成宇宙中所有物质的85%的神秘物质，但因为它不与光或更准确地说是电磁辐射相互作用对我们仍然效果上是不可见的。科学家相信大多数星系都被一个暗物质云笼罩，但它的存在只能被通过它在引力上有的影响推断。

项目负责人兼萨塞克斯大学物理学教授泽维尔·卡尔梅特告诉太空网站，“正如我们所知，我们的宇宙被物理学的法则支配，因此引力被广义相对论和粒子物理学的标准模型的粒子物理学支配，我们称这些法则的偏差为'物理学中的崩溃'------基本上这是一个超越我们目前的宇宙理解的新物理学的同义词”。

这种新的物理学可以被用来解释暗物质的本质，某些不符合标准模型的东西。

卡尔梅特继续说道，“最大的谜团之一是暗物质的性质。我们知道它就在那里，我们看到它在我们的宇宙中的影响，但我们在粒子物理学的标准模型内没有一个具体的解释，一定有新的物理学，但我们不知道如何来描述这些新粒子以及它们如何与常规物质耦合”。

用原子钟怎样能发现“新物理学”？

按照既定的物理学法则，时钟应该以一个恒定的速度滴答，但超出标准模型范围的物理学将造成原子能级中的微小电荷。这应该影响时钟滴答的速率，但变化会是如此小只能被用一个难以置信精确的时钟发现------这就是原子钟进来的地方。

卡尔梅特说，“原子钟将宇宙学和天体物理学带到地球，使在一个实验室中搜索可以解释暗物质的超轻粒子成为可能”。

原子钟用有两种势能态的原子测量时间。当原子吸收能量时它们会进入一个更高的能量状态。然后，它们最终释放这个能量并下降回到更低的基态。

在原子钟中，原子的群被通过用微波能量将它们置于一个更高能量状态制备 ------它们的谐振频率------被用来精确的测量时间。

因此，例如，所有铯原子都以相同的频率谐振，这意味着一秒的标准测量能被定义为9192631770个铯周期。因为这种每秒循环以远远小于一个钟摆摆动的变化发生，这使得原子钟难以置信的精确。

卡尔梅特解释说，“最近人们已经意识到暗物质可以由与常规物质极弱相互作用的超轻粒子组成，如果是这种情况，暗物质将基本上像一个与电子和质子相互作用的经典波一样行为。这种暗物质波会给这些粒子一些小踢”。

卡尔梅特补充说，这些超轻暗物质粒子踢到原子的构建块上将导致宇宙的基本常数中一个的时间变化，例如精细结构常数或“α”------一个粒子经由电磁力耦合多强的测量------和质子的质量。

他继续说道，“因为原子钟是惊人精确的装置，它们将能够探测到这些踢，这样发现超轻暗物质，通过比较两个时钟，一个对阿尔法中的变化敏感，另一个对阿尔法中的变化不太敏感，我们能获得关于这个基本常数的时间变化上的限制，这样对超轻粒子设置约束”。