- 通过实现高精度原子钟的高可用运行来实现暗物质搜索
- 关于超轻暗物质与电子之间相互作用强度的新发现
- 为旨在阐明暗物质的基础物理学做出贡献
使用镱（Yb）光学晶格钟和铯（Cs）原子弹簧钟的超光暗物质探测方法概念图
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部首席研究员小林匠美、首席研究员高见泽明文与横滨国立大学、国立大学法人合作光格子钟和铯原子喷泉钟两个高度精确的原子钟已被用来阐明宇宙中大量存在的物质的真实本质暗物质
AIST 开发了铯原子喷泉钟，实现了时间单位秒的定义。重新定义秒的候选者之一国际原子时原子钟的频率为精细结构常数、电子质量等基本物理常数确定，基本物理常数保持恒定这一事实保证了原子钟的准确性。另一方面，原子钟也可以说是验证基本物理常数是否真正恒定的实验装置。
近年来候选暗物质之一，电子质量（大约 9×10-31kg)轻20多个数量级。这种极轻的暗物质表现为波而不是粒子。如果暗物质波与原子等正常物质不同，互动理论上预测，基本物理常数将发生周期性变化，原子钟的频率也会随之变化。在本研究中，我们从镱光学晶格钟和铯原子弹簧钟的频率比数据中寻找这种周期性涨落。结果，质量范围 10-58kg〜10-56kg超轻暗物质与电子之间的相互作用，我们发现不存在这种相互作用，或者即使有，强度也很弱。这一结果将有助于旨在阐明暗物质的基础物理学。
该技术的详细信息将于 2022 年 12 月 7 日（美国东部标准时间）发布。物理评论信发布
目前，秒是由与铯原子共振的微波频率（约 92 GHz）定义的，并使用铯原子弹簧钟以 16 位精度实现。使用频率高于微波（约 500 THz）的光的光学晶格钟可以将时间精度进一步提高一到两个数量级，使其成为重新定义秒的有希望的候选者。如果原子钟的精度提高到这个水平，就可以检测基本物理常数的变化。据说基本物理常数保持不变，即使它们确实发生变化，也非常小，无需担心在日常生活中造成问题，例如时钟失灵。另一方面，基本物理常数的变化是物理学研究中一个有趣的课题，例如，有理论研究表明变化是由暗物质引起的。
有人认为，宇宙中存在身份未知的暗物质，其质量大约是原子等普通物质的五倍。阐明暗物质的身份已经成为物理学中一个有趣的研究课题，暗物质的候选者已经在广泛的质量范围内被提出，并且已经使用各种设备进行了探索实验，包括望远镜、人造卫星、粒子探测器和激光干涉仪。我们在这项研究中关注的超轻暗物质是从宇宙结构形成的角度正在积极研究的候选物质之一。在量子力学中，电子、质子、中子、光子等既是粒子又是波。超轻暗物质比粒子表现出更多的波动特性。如果超轻暗物质与普通物质相互作用，精细结构常数和电子质量等基本物理常数预计会周期性波动。
原子钟近年来在暗物质研究中引起了人们的关注，因为它们能够以高灵敏度检测这一基本物理常数的周期性波动。使用最高精度的原子钟，如光学晶格钟和铯原子弹簧钟，可以有效提高超光暗物质的探测灵敏度。迄今为止，人们已经从两个光学晶格钟的频率比来研究精细结构常数的周期性波动，但还没有使用光学晶格钟和铯原子弹簧钟的组合进行研究的报道。这种组合对电子质量的周期性波动敏感，而仅使用光学晶格时钟进行搜索无法检测到这种波动。铯原子弹簧钟比光学晶格钟具有更高的噪声，因此为了利用这种组合，重要的是使两者长时间（例如 10 天或更长时间）以高运行速率运行。然而，光学晶格钟是极其复杂的设备，使得许多研究机构难以长时间运行它们。
AIST 是日本国家计量院，并开发了铯原子弹簧钟和光学晶格钟。这些原子钟承担着国际原子时校准工作，这是计量机构的一项重要使命，为准确维护国际标准时间的活动做出了贡献。特别是镱光学晶格钟的高可用性运行记录是世界最高的（2020 年 11 月 3 日 AIST 新闻稿)，可与铯原子喷泉钟相媲美的连续运行。 AIST 是世界上少数能够以高运行率同时比较光学晶格钟和铯原子喷泉钟的机构之一。这次，我们将这项技术应用于暗物质的探索性研究。
这项研究和开发得到了 JSPS KAKENHI 青年研究员补助金 B（编号 15K21669、17K14367）、基础研究 C（编号 18K04989）、基础研究 B（编号 22H01241）、基础研究 A（编号 22H01241）的支持。 17H01151）和JST未来社会创建项目（编号：JPMJMI18A1支持）。
图1显示了用于寻找暗物质的镱光学晶格钟和铯原子弹簧钟的频率比数据。为了保证尽可能长的观测周期，从2020年11月17日起进行了25天的测量，从2021年8月2日起进行了40天的测量，两台机器分别以644%和745%的高同时运行率成功运行。我们假设不同的周期，反复对这些数据进行正弦拟合，看看在某个周期是否可以获得较大的振幅。数据变化主要是由于铯原子弹簧钟中的随机噪声造成的，但通过对长期运行中获得的大量数据进行平均，可以进行高精度的搜索。
图 1 用于寻找超轻暗物质的镱 (Yb) 光学晶格钟和铯 (Cs) 原子弹簧钟的频率比数据。纵轴是Yb原子的约518THz的光学频率与Cs原子的约92GHz的微波频率之间的频率比（相对值）的波动。横轴原点为2020年11月17日，蓝点为测量值（10000秒平均值），可以看到Yb/Cs频率比的第14位和15位随机变化。红色和绿色曲线是分别假设长期和短期波动的正弦拟合的示例。这些例子中获得的幅度很小，并且没有提供周期性波动的证据。
从该测量数据中，没有获得光学晶格钟和铯原子弹簧钟的频率比周期性波动的证据。然而，通过使用光学晶格钟和铯原子弹簧钟的长期比较的新方法，我们发现电子质量在10天到298天的时间内没有波动，即使有，幅度也在15位以下。超轻暗物质理论认为，当暗物质与电子相互作用时，电子质量以与暗物质质量成正比的频率波动。考虑到该理论的分析结果，质量范围 10-58公斤〜10-56kg，我们成功扩大了超轻暗物质与电子之间相互作用强度的搜索范围。图2纵轴为代表相互作用强度的耦合常数，横轴为暗物质的质量，其中将之前实验中已经探索和排除的区域用彩色表示。红色区域是本研究中首次排除相互作用可能性的区域，表明长期运行使我们能够探索以往研究无法触及的相互作用非常弱的区域。从基本粒子到天文物体，人们已经提出了广泛的质量范围作为暗物质的候选者，但仅凭理论很难缩小质量范围，因此通过实验和观察深入研究未探索的领域非常重要。这一结果表明，原子钟的长期运行不仅有助于时间标准，而且有助于基础物理学。
图2 已通过实验排除超轻暗物质与电子之间相互作用的可能性的区域被着色（没有颜色的白色区域是未探索的区域）。纵轴是耦合常数，代表超轻暗物质理论公式中表达的相互作用的强度。红色是本研究排除的区域，灰色是欧洲卫星，蓝色是美国高稳定光学腔和氢脉泽原子钟排除的区域。
*本新闻稿中的图 1 和图 2 是对原始论文中的数据的引用和修改。
通过不断提高原子钟的精度和稳健性，我们将继续为国际原子时做出贡献，这是我们最初的使命，同时也促进包括暗物质在内的基础物理研究。
已出版的杂志：物理评论信
论文标题：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：Takumi Kobayashi、Akifumi Takamizawa、Daisuke Akamatsu、Akio Kawasaki、Akiko Nishiyama、Kazumoto Hosaka、Yusuke Hisai、Masato Wada、Hajime Inaba、Takehiko Tanabe、Masami Yasuda