目前，秒是由铯原子共振的微波频率（约92 GHz）定义的，并通过精度为16位的铯原子喷泉钟来实现。使用光（约500 THz）的光学晶格钟，其频率比微波更高，可以将时间的精度进一步提高一到两个数量级，被认为是重新定义秒的候选者。如果原子钟的精度提高到这个水平，就有可能检测到基本物理常数的变化。基本物理常数被认为是常数和不变的，即使发生变化，变化也极小，不会给日常生活带来任何不便，例如时钟故障。另一方面，基本物理常数的变化是物理学研究的一个有趣课题，例如，有理论表明变化可能是由暗物质引起的。

有人提出，宇宙中存在暗物质，其真实性质尚不清楚，其质量大约是原子等普通物质质量的五倍。对暗物质性质的研究一直是物理学研究中一个有趣的课题，暗物质候选者已经在广泛的质量范围内被提出，并且已经使用各种仪器（例如望远镜、人造卫星、粒子探测器和激光干涉仪）进行了搜索实验。这项研究中的对象是从宇宙结构形成的角度进行了大力研究的候选者之一。在量子力学中，电子、质子、中子和光子被认为既是粒子也是波。在超轻暗物质中，波动性比粒子性更加明显。如果超轻暗物质与普通物质相互作用，基本物理常数，例如精细结构常数和电子质量，预计会周期性振荡。

原子钟最近在暗物质研究中引起了广泛关注，因为它们能够以高灵敏度检测这些基本物理常数的周期性变化。使用最高精度的原子钟，例如光学晶格钟和铯喷泉原子钟，有助于提高超轻暗物质的探测灵敏度。人们已经从两个光学晶格钟的频率比中寻找精细结构常数的周期性振荡，但是还没有结合光学晶格钟和铯喷泉原子钟进行搜索的报道。这种组合对电子质量的周期性变化敏感，而仅使用光学晶格时钟的搜索很难检测到这种变化。由于铯喷泉原子钟比光学晶格钟噪音更大，因此在很长一段时间内（例如 10 天或更长时间）以高可用性同时运行两个时钟以利用这种组合非常重要。然而，光学晶格钟是非常复杂的设备，使得许多机构的长期运行变得困难。

日本产业技术研究所的研究人员与横滨国立大学合作，使用两台高精度原子钟（一台镱光学晶格钟和一台铯喷泉原子钟）来寻找暗物质，这种物质在宇宙中大量存在，但其真实性质仍然未知。

AIST通过长期高运行率运行实现时间单位“秒”定义的铯喷泉原子钟和重新定义秒的候选者之一的镱光学晶格钟，为国际标准时间国际原子时做出贡献。原子钟的频率由精细结构常数、电子质量等基本物理常数决定，基本物理常数的恒定性和不变性保证了原子钟的准确性。另一方面，可以说原子钟是验证基本物理常数是否真正恒定不变的实验装置。

最近出现了超轻暗物质，它比电子质量轻20多个数量级（约9×10^-31kg)，已被提议作为暗物质的候选者。这种非常轻的暗物质表现为波，而不是粒子。如果暗物质波与原子等普通物质相互作用，理论上预测基本物理常数将发生周期性振荡，进而引起原子钟频率的周期性振荡。在本研究中，我们在镱光学晶格钟和铯喷泉原子钟的频率比数据中寻找这种周期性振荡。结果表明，质量范围10^-58公斤至 10^-56kg和电子，或者说如果存在这样的相互作用，其强度是非常弱的。这一结果有助于旨在理解暗物质的基础物理学。

这项研究的详细信息发表在 2022 年 12 月 7 日的《物理评论快报》上。

期刊：物理评论信
标题：从光学和微波原子钟的长期频率比较中寻找超轻暗物质
作者：小林匠、高见泽昭文、赤松大辅、川崎昭夫、西山明子、保坂一元、久井佑介、和田正人、稻叶肇、田边雄彦、安田雅美
DOI：101103/PhysRevLett129241301