核钟：寻找暗物质的新希望

“核钟”（nuclear clock）是一种利用原子核能级之间的跃迁来计量时间的装置。相比传统依赖电子能级的光学原子钟，核钟不仅拥有更高的精度，而且还具有更强的稳定性和抗干扰性。2024年，有物理学家团队利用紫外线激发了一种放射性元素钍-229的核跃迁，朝着构建一个可运行的核钟迈出了关键一步。

物理学家之所以想要创造出比原子钟还要精准的核钟，是因为除了计时之外，核钟在基础物理学研究中具有重要意义，比如它有望被用于搜寻超轻暗物质。在一项最新发表于《物理评论X》杂志的研究中，一个物理学家团队就提出了一种新颖的方法，可用于检测超轻暗物质是否会对钍-229原子核的性质产生微小影响。

共振之谜

就像推动秋千需要精准的节奏以保持稳定摆动，原子核也有其最佳的振荡频率，在物理学中被称为共振频率。处于这一频率的辐射，能激发原子核像摆钟一样在基态与高能态这两个量子态之间“摆动”。大多数原子核的共振频率极高，需要非常强的辐射才能激发。

但在1976年，物理学家发现，钍-229是罕见的例外，其自然共振频率较低，可以使用普通紫外激光进行操控，这使得钍-229成为构建核钟的理想候选。然而，当科学家刚迈出第一步——试图以最高的精度测量钍-229的共振频率时，就遭遇阻力。

测量共振频率的方法，是以不同频率的激光照射原子核，观察它在量子态之间跃迁时所吸收或释放的能量。然后根据这些数据绘制出吸收光谱图，其中对应于峰值吸收的那一点，就被视为所该原子核的共振频率。

但长期以来，物理学家们一直无法精确地测量钍-229的共振频率。这是因为在过去，科学家在每次实验中都只能捕获极少量的原子核，并逐个用不同的辐射频率进行测试，使得这一过程缓慢而耗时。

去年，在德国国家计量研究所（PTB）的一项关键实验中，研究团队采用了一块含有约一千万亿个钍-229原子的萤石晶体，从而可以利用高精度激光束同时进行大量测量。这使长达近50年的技术瓶颈终于出现突破。

而就在PTB团队发布了一组相对精确的测量数据的几个月后，科罗拉多大学的研究小组发布了精度提升数百万倍的结果。不过，若想要实现真正的核钟，仍需要更高的精度。

核钟的工作原理：利用紫外光来激发钍-229原子核。当光以恰当的频率照射原子核时，它会导致原子核改变其能量状态。通过精确测量和计算这些能量，物理学家就制造出了一种极其精确的计时装置。（图/N. Hanacek/NIST）

理论预测

即便如此，在新的研究中，研究团队也从这些结果中，发现了研究暗物质的新契机。

暗物质是宇宙中最神秘的物质，占宇宙总质量的85%左右。理论上，如果宇宙中只有可见物质，那么物质的属性应当是稳定且可预测的。但由于暗物质无处不在，其波动性质可能会轻微地改变原子核的质量，从而导致吸收光谱出现短暂的偏移。因此，如果能以极高的精度检测出钍-229吸收光谱中的微小偏差，就有可能揭示暗物质的存在及其性质。

研究团队进行了理论计算，他们基于首次记录的、由激光激发的钍-229原子核发射的荧光光谱，对不同质量范围的暗物质与普通物质之间的相互作用强度设定了上限。虽然他们尚未在结果中观测到钍-229吸收光谱中的微小偏差，但这已经为今后的分析打下基础。一旦出现异常光谱变化，物理学家便可通过其强度与出现频率，推算出暗物质粒子的质量。

钍-229的独特核特性使其成为极具前景的超轻暗物质探测工具，其潜在灵敏度最高可达到传统方法的十亿倍。这项研究为将钍-229应用于前沿暗物质搜索奠定了基础。

核钟的前景

目前，全球多个实验室仍在致力于提高钍-229共振频率的测量精度，这一过程预计还需数年。如果核钟最终能够研制成功，它不仅可用于寻找暗物质，也可能会彻底改变许多领域，比如地面与空间导航、通信和科学研究等等。

#参考来源：

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

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

#图片来源：

封面图&首图：PTB