新核钟技术或可探测比引力弱十万亿倍的暗物质

一个德国科学家团队提出了一种探测暗物质及其对钍-229（Thorium-229）原子核特性影响的新方法。该原子核正被研究人员用于核钟项目。

该科学家团队进行的理论计算表明，即使暗物质的影响比引力弱1亿倍，新的测量方法也能探测到其影响。根据研究团队成员之一的说法，基于钍-229的核钟将成为探测暗物质的终极探测器。

核钟 vs 原子钟

核钟与原子钟的一个主要区别在于，前者利用的是原子的原子核，而后者利用的是原子的外层电子壳层。因此，一旦建成，核钟将更加精确，因为原子核更稳定，不易受外部因素干扰。

原子钟已被制造出来，并应用于精确计时、电信、卫星导航和研究等多个领域。如今，它们是最精确的计时设备。核钟则可能取代它们，开启技术和研究的新纪元。

从美国到德国，世界各地的科学家都在基于钍-229同位素进行研究，以期制造出核钟。然而，这一进展充满挑战，因为钍-229非常稀有，具有放射性，且为达到所需的大量，获取成本极其高昂。美国的一个研究团队最近发现，使用物理气相沉积法（PVD）处理钍-229，可以减少制造核钟所需的这种昂贵且具有放射性的同位素的用量。

通过钍-229寻找暗物质

与此同时，在多个团队致力于制造核钟之际，由魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）吉拉德·佩雷斯（Gilad Perez）教授的理论物理小组领导的团队声称，他们发现了一个推进暗物质搜寻的新机遇。

该团队表示，他们甚至可以在功能完善的核钟成为现实之前就开始搜寻暗物质。

“我们仍然需要更高的精度来开发核钟，”佩雷斯说，“但我们已经找到了研究暗物质的机会。”

“在一个仅由可见物质组成的宇宙中，任何物质的物理条件和吸收光谱都将保持不变。但因为暗物质包围着我们，其波状特性能够微妙地改变原子核的质量，并导致其吸收光谱发生暂时性偏移，”他补充道。

研究人员假设，“以极高精度探测钍-229吸收光谱中微小偏差的能力，可以揭示暗物质的影响”，并帮助他们研究其特性。该团队进行的计算表明，即使暗物质的影响比引力弱1亿倍，新的测量方法也能探测到其影响。

“我们的计算表明，仅仅搜寻共振频率的偏移是不够的。我们需要在整个吸收光谱中识别变化，才能探测到暗物质的效应。虽然我们尚未发现这些变化，但我们已经为理解它们一旦出现时奠定了基础，”佩雷斯小组的沃尔夫拉姆·拉青格（Wolfram Ratzinger）博士说。

他提到，尽管这些变化尚未被识别出来，但他们已具备了理解这些变化出现的基础。“一旦我们探测到偏差，我们将能够利用其强度和出现的频率，计算出造成该偏差的暗物质粒子的质量，”拉青格补充道。

研究人员还计算了不同模型将如何影响钍-229的吸收光谱，以确定暗物质的组成成分。

“在暗物质探测方面，”佩雷斯说，“基于钍-229的核钟将是终极探测器。目前，电子干扰限制了我们在搜寻中使用原子钟的能力。”

“核钟将使我们能够探测到其‘滴答’声中极其微小的偏差 —— 即共振频率的微小偏移，这可以揭示暗物质的影响，”他总结道。

该研究首次发表于《物理评论 X》。

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