在太阳附近运行的原子钟可以探测暗物质

在太阳附近运行的原子钟可以探测暗物质我们每天在周围看到的物质只占宇宙中质量的15%左右。另外的85%归功于一种奇怪的、看不见的物质，它不反射也不发光，因此它的名字听起来很诡异，叫做暗物质。然而，它确实通过与光和物质的引力相互作用来表明自己的存在，而且其存在的证据不断增加。但令人沮丧的是，尽管科学家们经过了几十年的探索，但最好的证据--直接探测--仍然没有得到。根据不同模型的预测，已经进行了实验来探测暗物质的特性，它可能有也可能没有。最常见的主题是在地下深处放置一个巨大的检测器材料罐，远离干扰，等待暗物质粒子撞上罐中的原子核的罕见情况。其他实验则观察一些假设的暗物质粒子被预测为会产生的电磁效应。到目前为止，这些实验都没有发现这种东西的任何迹象。但也许这是因为我们一直自己在错误的地方寻找。模型显示，太阳系中密度最高的暗物质将在太阳附近，所以一项新的研究建议我们从那里开始寻找。来自KavliIPMU、加州大学欧文分校和特拉华大学的研究人员概述了一种探测太阳附近暗物质的潜在新方法。在那里，这种物质的密度应该足够高，其预测的信号应该比在地球上要清晰得多。在暗物质粒子具有极小质量的模型中，它们将被预测为引起自然界某些常数的振荡，例如电子的质量或电磁力的强度。这些变化将反过来影响原子的能量，因为它们在不同状态之间转换。由于原子钟是通过测量原子在不同状态之间转换时发出的光子的频率来工作的，所以它们应该能够检测到暗物质何时导致这些振荡。"实验周围的暗物质越多，这些振荡就越大，所以在分析信号时，暗物质的局部密度非常重要，"该研究的作者JoshuaEby说。重要的是，该团队表示，进行该实验所需的技术已经存在。原子钟被广泛用于保持航天器的同步性，而帕克太阳探测器的特殊屏蔽已经证明了近太阳轨道是可以做到的。"长距离的太空任务，包括未来可能的火星任务，将需要特殊的计时，就像太空中的原子钟所提供的那样，"Eby说。"一个可能的未来任务，其屏蔽和轨迹与帕克太阳探测器非常相似，但携带一个原子钟装置，可能足以进行搜索。"虽然目前还没有关于这一概念何时或是否可能被付诸行动的消息，但这是一个令人感兴趣的想法。描述这一想法的论文发表在《自然天文学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334489.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334489.htm

在太空中部署一个原子钟 - 揭开暗物质秘密的新方法

在太空中部署一个原子钟-揭开暗物质秘密的新方法这些搜索的一个关键组成部分是关于暗物质局部密度的假设，它决定了在任何给定时间内通过探测器的暗物质粒子的数量，从而决定了实验灵敏度。在一些模型中，这个密度可能比通常假设的要高得多，而且暗物质在某些区域比其他区域更加集中。一类重要的实验搜索是使用原子或原子核的搜索，因为这些搜索对暗物质的信号取得了相当高的灵敏度。这是可能的，部分原因是当暗物质粒子具有非常小的质量时，它们会在自然界的常数中引起振荡。这些振荡例如电子的质量或电磁力的相互作用强度的振荡以可预测的方式改变原子和原子核的过渡能量。艺术家对用于揭示暗物质的空间原子钟的印象。资料来源：卡弗里IPMU一个国际研究小组，加州大学欧文分校卡弗里宇宙物理与数学研究所（KavliIPMU）项目研究员JoshuaEby、博士后Yu-DaiTsai和特拉华大学教授MariannaS.Safronova，从这些振荡信号中看到了潜力。他们表示，在太阳系的一个特定区域，即水星和太阳的轨道之间，暗物质的密度比较大，这将意味着对振荡信号的异常敏感。这些信号可以被原子钟接收到，原子钟通过仔细测量原子中不同状态转换时发出的光子的频率来运行。在时钟实验附近的超轻暗物质可以修改这些频率，因为暗物质的振荡会稍微增加和减少光子的能量。"实验周围的暗物质越多，这些振荡就越大，所以在分析信号时，暗物质的局部密度非常重要，"埃比说。虽然太阳附近暗物质的精确密度并不为人所知，但研究人员认为，即使是一个相对低灵敏度的搜索也能提供重要的信息。在太阳系中，暗物质的密度只受到有关行星轨道信息的制约。在太阳和水星（离太阳最近的行星）之间的区域几乎没有约束。因此，在航天器上进行的测量可以迅速发现这些模型中暗物质的世界领先的限制。对他们的理论进行测试的技术已经存在。埃比说，美国宇航局的帕克太阳探测器自2018年以来一直在运行，它比历史上任何人造飞船都更接近太阳，目前正在水星的轨道内运行，并计划在一年内更接近太阳。"长距离的太空任务，包括未来可能的火星任务，将需要特殊的计时，就像太空中的原子钟所提供的那样。"Eby说："一个可能的未来任务，其屏蔽和轨迹与帕克太阳探测器非常相似，但携带一个原子钟装置，可能足以进行这种搜索。"他们的研究细节于12月5日发表在《自然-天文学》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336749.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336749.htm

微型原子钟帮助加速寻找暗物质及其它

微型原子钟帮助加速寻找暗物质及其它科学家们正在利用光学原子钟这种超灵敏量子传感器寻找暗物质。(艺术家概念图）。挑战：操作这种超精密时钟所需的设备--包括激光器、电子设备和冷却器--可以摆满一张大桌子，甚至一个房间。这将使将它们发射到太空变得非常昂贵，甚至不可能。费米实验室研究人员孙鸿志和帕梅拉-克拉伯斯在试验台上测试芯片。图片来源：RyanPostel，费米实验室参与美国能源部和国防部联合项目的科学家旨在将这些元件微型化到鞋盒大小。经过两年多的努力，来自能源部费米国家加速器实验室和麻省理工学院林肯实验室的研究人员已经报告了初步的可喜成果。费米实验室的研究人员设计并开发了控制装置内电压所需的紧凑型电子设备，而麻省理工学院林肯实验室的研究人员正在开发制造时钟所需的微小离子阱和相应的光子学。费米实验室团队设计的芯片目前正在麻省理工学院实验室进行测试。实验室微电子部主任法拉-法希姆（FarahFahim）说："这是迈向高精度、小尺寸原子钟的第一步。"麻省理工学院实验室的光学原子钟使用离子阱作为传感器--在本例中，锶离子被电场束缚。激光作为时钟的振荡器，测量离子在两个量化能级之间转换的振荡频率。这种结构紧凑的原子钟非常适合部署到太空中寻找超轻暗物质，理论上暗物质会引起电子质量的振荡。如果几个原子钟穿过太空中的一团暗物质，暗物质就会增加或减少每个原子钟测量到的光子能量，从而改变它的"滴答"声。当暗物质经过时，这些时钟会失去同步，之后又会重新同步。研究人员用GPS卫星进行了这些实验，每颗卫星都包含多个基于不同技术的原子钟。但他们在这些实验中没有发现暗物质的证据。研究人员认为，也许可以用更灵敏的时钟来探测暗物质。芯片的图形效果图。资料来源：费米实验室萨曼莎-科赫在美国国防部的资助下，麻省理工学院实验室的研究人员将困离子原子钟微型化，将激光传输和探测全部集成到一个芯片上。但要完成这个系统，麻省理工学院LL研究人员需要的不仅仅是微型化的原子和光子元件。他们需要帮助设计一个微型电子控制系统。这就是费米实验室介入的原因；能源部的高能物理QuantISED计划为电子开发和集成提供了资金。法希姆说："我们拥有30多年为对撞机物理学开发紧凑型电子设备的经验，我们已经开发出了适用于极端环境的芯片。这与控制原子并读出其状态所需的电子器件并无二致。"麻省理工学院LL的参谋科学家罗伯特-麦康奈尔（RobertMcConnell）说："这是一个真正利用了不同政府实验室独特能力的项目，"他领导了该项目的光子离子阱芯片开发工作。难点在于如何制造一种小型芯片，既能控制系统所需的高电压（至少20伏），又能保持高速度和低功耗。费米实验室团队与一家半导体制造商合作，最近制造出了一种能控制高达9伏电压的芯片。"该项目的首席芯片设计师孙鸿志说："它的电压噪声也很低，因此不会扰乱离子的量子态。"准备测试：芯片的定制测试板与测试设备连接。芯片用导线粘接在测试板上，并由方形白色塑料盖保护。图片来源：RyanPostel，费米实验室麻省理工学院LL研究人员现在希望通过一种技术将芯片与离子阱集成在一起，这种技术允许他们将两个芯片堆叠在一起，并通过通孔（即层间电连接）将它们连接起来。随后，费米实验室的研究人员将继续完善电子设计，将电压提高到20伏。我们的目标是制造出一个紧凑型原子钟，其频率不确定性为10-18。麦康奈尔说："这次合作让我们获得了两个世界的好处。通过让费米实验室设计电路并将其与我们的离子阱集成，我们可以制造出可控性良好的量子传感器。"这些时钟的用途可以超出高能物理研究，包括太空防御，甚至可以作为极其灵敏的传感器来预测海啸或地震。这些离子阱还可以成为未来量子计算机的基础。法希姆说："国防部和能源部在应用目标上存在巨大差异，但在基础技术开发方面却有着同样引人注目的协同效应；我们只需要找到合作的方法。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374213.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374213.htm

德国联邦物理技术研究院的科学家们创造了一种新型光学原子钟

德国联邦物理技术研究院的科学家们创造了一种新型光学原子钟因此，与中性或弱电的原子相比，高电荷离子的最外层电子与原子核的结合更强。这使得高电荷离子受外部电磁场的影响较小，但对狭义相对论、量子电动力学和原子核的基本效应更为敏感。"因此，我们期望带有高电荷离子的光学原子钟能够帮助我们更好地测试这些基本理论"，联邦物理技术研究所（PTB）物理学家LukasSpieß解释说。"这个希望已经实现了。我们能够在一个五电子系统中检测到量子电动核反冲，这是一个重要的理论预测，这在之前的任何其他实验中都没有实现过。"在此之前，该团队必须在多年的工作中解决一些基本问题，如检测和冷却。对于原子钟来说，人们必须将粒子极度冷却，以便尽可能地阻止它们，从而读出它们在静止状态下的频率。然而，高电荷离子是通过创造一个极热的等离子体产生的。由于其极端的原子结构，高电荷离子不能用激光直接冷却，标准检测方法也不能使用。海德堡的MPIK和PTB的QUEST研究所之间的合作解决了这个问题，从热等离子体中分离出一个单一的高电荷氩离子，并将其与一个单电荷铍离子一起储存在一个离子阱中。这使得高电荷离子可以被间接冷却并通过铍离子进行研究。随后，研究人员在MPIK建造了一个先进的低温陷阱系统，并在PTB完成了实验，这些实验部分是由在各机构之间转换的学生进行的。随后，在PTB开发的一种量子算法成功地将高电荷离子进一步冷却，即接近量子力学基态。这相当于绝对零度以上200百万分之一开尔文的温度。这些结果已经在2020年的《自然》杂志和2021年的《物理评论X》杂志上发表。现在，研究人员已经成功地迈出了下一步。他们已经实现了一个基于十三倍带电氩离子的光学原子钟，并将其与PTB现有的镱离子钟的走时进行比较。为了做到这一点，他们必须对该系统进行非常详细的分析，以便了解例如高度带电离子的运动和外部干扰场的影响。结果他们实现了1017分之2的测量不确定性，这与许多目前运行的光学原子钟相当。研究小组负责人皮特-施密特说："我们期望通过技术改进进一步降低不确定性，这应该使我们的研究成果进入最优秀的原子钟的行列。"研究人员创造了一个与现有光学原子钟相比的强有力的竞争者，例如，基于单个镱离子或中性锶原子的光学原子钟，所使用的方法是普遍适用的，可以研究许多不同的高电荷离子。这些包括可用于搜索粒子物理学标准模型的扩展的原子系统，其他高电荷离子对精细结构常数的变化和某些暗物质候选物特别敏感，这些候选物在标准模型之外的模型中是需要的，但用以前的方法无法检测到。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337047.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337047.htm

科学家提出搜寻暗物质的新方法

科学家提出搜寻暗物质的新方法自暗物质被发现以来，科学家们一直未能探测到它，即使几十年来在世界各地部署了多个超灵敏粒子探测器实验也无济于事。现在，美国能源部（DOE）SLAC国家加速器实验室的物理学家们提出了一种利用量子设备寻找暗物质的新方法。SLAC物理学家丽贝卡-利恩（RebeccaLeane）是这项新研究的作者之一，她认为大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这种暗物质会直接从太空发射到地球上，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊了很多年。利恩说："暗物质进入地球后，会四处弹跳，最终被地球的引力场困住。随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞上探测器。不幸的是，热化暗物质的移动速度要比银河系暗物质慢得多，这意味着它传递的能量要比银河系暗物质少得多--传统探测器可能无法看到。"有鉴于此，利恩和SLAC博士后研究员阿尼尔班-达斯找到了SLAC的科学家诺亚-库林斯基，他是一个新实验室的负责人，主要研究用量子传感器探测暗物质。库林斯基说，科学家通常认为这是因为冷却系统不完善或环境中存在热源。但他说，可能还有其他原因："如果我们实际上有一个完美的冷系统，而我们无法有效冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击呢？"达斯、库林斯基和利恩想知道，超导量子设备是否可以重新设计为热化暗物质探测器。根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低，约为千分之一电子伏特，因此它可以探测到低能量的银河系暗物质以及悬浮在地球周围的热化暗物质粒子。当然，这并不意味着暗物质是量子设备失灵的罪魁祸首--只是说它是可能的，下一步就是要弄清楚他们能否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。因此，有几件事需要考虑。首先，也许有更好的材料来制造这种装置。利恩说："我们一开始考虑的是铝，这只是因为铝可能是迄今为止用于探测器的特性最好的材料。但事实可能证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。"利恩说，还有一种可能性是，热化暗物质与量子设备的相互作用不会像银河系暗物质被怀疑与直接探测设备的相互作用那样。在这项研究中只是考虑了暗物质进入并直接弹开探测器的简单情况，但它还可以做很多其他事情。例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，改变探测器中粒子的分布方式。"这就是在SLAC工作的好处之一。我们确实有相当多样化的小组在从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是SLAC研究的一个非常好的协同效应。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429970.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429970.htm

科学家们在寻找暗物质的过程中发现新的物理现象

科学家们在寻找暗物质的过程中发现新的物理现象大约三年前，Wolfgang“Wolfi”Mittig和YassidAyyad开始寻找暗物质--也被称为宇宙中缺失的质量。尽管他们的探索没有发现暗物质，但科学家们还是发现了一些以前从未见过的、无法解释的东西。密歇根州立大学物理和天文学系的汉纳特聘教授、稀有同位素光束设施（简称FRIB）的教员Mittig说：“这就像一个侦探故事。”他说：“我们开始寻找暗物质，但我们没有找到它。相反，我们发现了其他一些对理论解释具有挑战性的东西。”为了使他们的发现有意义，该团队继续工作，进行进一步的测试并积累更多数据。Mittig、Ayyad和他们的同事在密歇根州立大学的国家超导回旋加速器实验室(NSCL)加强了他们的论点。研究人员在NSCL工作时发现了一条通往他们意料之外的目的地的新路线，他们在《物理评论快报》杂志上披露了这一点。此外，他们还揭示了耐人寻味的物理学在亚原子粒子的超小量子领域中的工作。科学家们特别表明，即使一个原子的中心或原子核挤满了中子，它也能通过吐出一个质子而找到一条通往更稳定构型的路线。暗物质是宇宙中最知名但最不为人所知的事物之一。科学家们几十年来一直知道，根据恒星和星系的运动，宇宙包含的质量比我们能感知的要多。尽管研究人员确信暗物质的存在，但他们还没有找到它的位置，也没有设计出如何直接探测它。西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学的加利西亚高能物理研究所（IGFAE）的核物理研究员Ayyad说：“找到暗物质是物理学的主要目标之一。”Mittig说，科学家们已经启动了大约100个实验，试图阐明暗物质到底是什么。他说：“经过20、30、40年的研究，没有一个人成功。”“但是有一个理论，一个非常假想的想法，你可以用一种非常特殊的核子来观察暗物质，”Ayyad说，他以前是NSCL的一个探测器系统物理学家。这一理论的核心是它所谓的暗衰变。它假设某些不稳定的原子核，即自然崩解的原子核，在崩解时可以抛弃暗物质。因此，Ayyad、Mittig和他们的团队设计了一个可以寻找暗衰变的实验，他们知道这种可能性对他们很不利。但是这场赌博并不像它听起来那么大，因为探测异类衰变也让研究人员更好地了解核和量子世界的规则和结构。研究人员有很大的机会发现新的东西。问题是那会是什么。Ayyad说，当人们想象一个原子核时，许多人可能会想到一个由质子和中子组成的块状球。但是原子核可以采取奇怪的形状，包括所谓的晕核。铍-11是晕核的一个例子。它是铍元素的一种形式，或者说是同位素，它的核内有四个质子和七个中子。它将这11个核粒子中的10个保持在一个紧密的中心团中。但有一个中子漂浮在远离核心的地方，松散地与原子核的其他部分结合在一起，有点像月亮环绕地球。铍-11也是不稳定的。在大约13.8秒的寿命之后，它通过所谓的β衰变而崩解。它的一个中子射出一个电子，变成一个质子。这使原子核转变为具有五个质子和六个中子的硼元素的稳定形式，即硼-11。但是根据那个非常假设...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1313757.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1313757.htm