核鐘：尋找暗物質(zhì)的新希望

“核鐘”（nuclear clock）是一種利用原子核能級(jí)之間的躍遷來(lái)計(jì)量時(shí)間的裝置。相比傳統(tǒng)依賴電子能級(jí)的光學(xué)原子鐘，核鐘不僅擁有更高的精度，而且還具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。2024年，有物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用紫外線激發(fā)了一種放射性元素釷-229的核躍遷，朝著構(gòu)建一個(gè)可運(yùn)行的核鐘邁出了關(guān)鍵一步。

物理學(xué)家之所以想要?jiǎng)?chuàng)造出比原子鐘還要精準(zhǔn)的核鐘，是因?yàn)槌擞?jì)時(shí)之外，核鐘在基礎(chǔ)物理學(xué)研究中具有重要意義，比如它有望被用于搜尋超輕暗物質(zhì)。在一項(xiàng)最新發(fā)表于《物理評(píng)論X》雜志的研究中，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)就提出了一種新穎的方法，可用于檢測(cè)超輕暗物質(zhì)是否會(huì)對(duì)釷-229原子核的性質(zhì)產(chǎn)生微小影響。

共振之謎

就像推動(dòng)秋千需要精準(zhǔn)的節(jié)奏以保持穩(wěn)定擺動(dòng)，原子核也有其最佳的振蕩頻率，在物理學(xué)中被稱為共振頻率。處于這一頻率的輻射，能激發(fā)原子核像擺鐘一樣在基態(tài)與高能態(tài)這兩個(gè)量子態(tài)之間“擺動(dòng)”。大多數(shù)原子核的共振頻率極高，需要非常強(qiáng)的輻射才能激發(fā)。

但在1976年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，釷-229是罕見(jiàn)的例外，其自然共振頻率較低，可以使用普通紫外激光進(jìn)行操控，這使得釷-229成為構(gòu)建核鐘的理想候選。然而，當(dāng)科學(xué)家剛邁出第一步——試圖以最高的精度測(cè)量釷-229的共振頻率時(shí)，就遭遇阻力。

測(cè)量共振頻率的方法，是以不同頻率的激光照射原子核，觀察它在量子態(tài)之間躍遷時(shí)所吸收或釋放的能量。然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制出吸收光譜圖，其中對(duì)應(yīng)于峰值吸收的那一點(diǎn)，就被視為所該原子核的共振頻率。

但長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家們一直無(wú)法精確地測(cè)量釷-229的共振頻率。這是因?yàn)樵谶^(guò)去，科學(xué)家在每次實(shí)驗(yàn)中都只能捕獲極少量的原子核，并逐個(gè)用不同的輻射頻率進(jìn)行測(cè)試，使得這一過(guò)程緩慢而耗時(shí)。

去年，在德國(guó)國(guó)家計(jì)量研究所（PTB）的一項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)采用了一塊含有約一千萬(wàn)億個(gè)釷-229原子的螢石晶體，從而可以利用高精度激光束同時(shí)進(jìn)行大量測(cè)量。這使長(zhǎng)達(dá)近50年的技術(shù)瓶頸終于出現(xiàn)突破。

而就在PTB團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一組相對(duì)精確的測(cè)量數(shù)據(jù)的幾個(gè)月后，科羅拉多大學(xué)的研究小組發(fā)布了精度提升數(shù)百萬(wàn)倍的結(jié)果。不過(guò)，若想要實(shí)現(xiàn)真正的核鐘，仍需要更高的精度。

核鐘的工作原理：利用紫外光來(lái)激發(fā)釷-229原子核。當(dāng)光以恰當(dāng)?shù)念l率照射原子核時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致原子核改變其能量狀態(tài)。通過(guò)精確測(cè)量和計(jì)算這些能量，物理學(xué)家就制造出了一種極其精確的計(jì)時(shí)裝置。（圖/N. Hanacek/NIST）

理論預(yù)測(cè)

即便如此，在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)也從這些結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)了研究暗物質(zhì)的新契機(jī)。

暗物質(zhì)是宇宙中最神秘的物質(zhì)，占宇宙總質(zhì)量的85%左右。理論上，如果宇宙中只有可見(jiàn)物質(zhì)，那么物質(zhì)的屬性應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)的。但由于暗物質(zhì)無(wú)處不在，其波動(dòng)性質(zhì)可能會(huì)輕微地改變?cè)雍说馁|(zhì)量，從而導(dǎo)致吸收光譜出現(xiàn)短暫的偏移。因此，如果能以極高的精度檢測(cè)出釷-229吸收光譜中的微小偏差，就有可能揭示暗物質(zhì)的存在及其性質(zhì)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了理論計(jì)算，他們基于首次記錄的、由激光激發(fā)的釷-229原子核發(fā)射的熒光光譜，對(duì)不同質(zhì)量范圍的暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間的相互作用強(qiáng)度設(shè)定了上限。雖然他們尚未在結(jié)果中觀測(cè)到釷-229吸收光譜中的微小偏差，但這已經(jīng)為今后的分析打下基礎(chǔ)。一旦出現(xiàn)異常光譜變化，物理學(xué)家便可通過(guò)其強(qiáng)度與出現(xiàn)頻率，推算出暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。

釷-229的獨(dú)特核特性使其成為極具前景的超輕暗物質(zhì)探測(cè)工具，其潛在靈敏度最高可達(dá)到傳統(tǒng)方法的十億倍。這項(xiàng)研究為將釷-229應(yīng)用于前沿暗物質(zhì)搜索奠定了基礎(chǔ)。

核鐘的前景

目前，全球多個(gè)實(shí)驗(yàn)室仍在致力于提高釷-229共振頻率的測(cè)量精度，這一過(guò)程預(yù)計(jì)還需數(shù)年。如果核鐘最終能夠研制成功，它不僅可用于尋找暗物質(zhì)，也可能會(huì)徹底改變?cè)S多領(lǐng)域，比如地面與空間導(dǎo)航、通信和科學(xué)研究等等。

#參考來(lái)源：

https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/dark-side-time

https://physics.aps.org/articles/v18/s57

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：PTB