外观
Lesson 7 暗物质探测 & 原子核钟
约 1246 字大约 4 分钟
2025-11-05
—— Fei GAO
我们倾向于认为暗物质是一种稳定的基本粒子，当然有很多不同的模型，也就是理论学家们提出的暗物质可能的本质.
按照宇宙学的理论，我们周围应该有很多暗物质，但是暗物质和我们之间没有电磁相互作用和强相互作用，所以像气体一样穿过我们的身体. 可以估算：暗物质的速度不能大于银河系的逃逸速度，所以只能是几百公里每秒；太阳系相对于银心的速度约是两百公里每秒，我们和暗物质的相对速度也是这个量级，也就是 10−3 光速.
这样我们就能估算暗物质的动能，同时能够想到，暗物质在这样的速度下和周围的普通物质发生碰撞，比如电离气体分子等等，就可以被观察到. 问题在于，除了搭建好一个灵敏的探测器以外，我们可能会遇到各种各样的宇宙射线、杂乱的光干扰. 为了隔绝所有带电的物质，主流的暗物质探测选择在地下进行.
中国的锦屏实验室是起步最晚的一个，但是等效深度 2400 m (上面有一座山)，是最深最大的一个，能够把宇宙线强度降低 10 个数量级.
我们今天主要讲的是在意大利进行的 XENONnT 实验：在空气中分离氙原子，液化作为探测物质.
我们的光电倍增管能够非常灵敏地 (单光子级别) 探测，首先是液氙中的光信号；另外，如果产生了电子，我们也希望能够探测这一个信号，所以上面留空了一段气体相的氙并加强电场，电子在气体氙中会没有阻碍地高速撞击某个气体原子，产生电致发光，也能用倍增管探测.
测量几个月之后，我们要对数据做统计推断 (哎呀这不是我们天统吗). 当然最终我们并不认为找到暗物质，但是应该能够对暗物质和物质的相互作用做一个上限的限制.
除了暗物质探测以外，同一个探测器还能够测量太阳中微子. XENONnT 实验比起之前的中微子探测器，构建了一个全新的反应链，体积缩小了将近百倍.
同时我们还能够在「中微子雾」的干扰下做暗物质探测.
—— Shiqian DING
1879 年 Maxwell 就提出，如果用原子来制作钟，在宇宙的不同地方原子都是一样的，因此这样的钟应当是非常精确的.
光钟：目的是锁住光的频率，所以我们用到所谓的光梳. 这样的装置保证每个脉冲的相位之间是相干的，原来的脉冲频谱应该是一个宽的频谱，但是在这里会变成被一个波形调制的分立谱 (也就是「梳齿」).
目前的光钟精度达到了 10−19 的精度，也就是从大爆炸到现在 137 亿年，只产生 0.24 s 的误差；在 1 mm 的高度差异上，光钟能够测量到地球产生的引力红移.
原子核钟相较于原子光钟的优势在于，我们对外面的电磁环境不会太敏感，跃迁的频率还是非常稳定，甚至可以把原子核掺杂在晶体中，比占据一整个实验室的原子钟要小得多 (毫米量级)；而且密度极大，一束激光能够打到 1015 个原子核，极短时间就能大幅缩小测量误差.
但是为什么没有人做原子核钟？因为跃迁能量太高了，简单想象一下，原子弹的能量肯定远远大于化学炸药的能量. 但是有一个唯一的例外，Th-229 原子的原子核跃迁能量竟然只有 8.4 eV，这是我们已知的二十万种核跃迁中唯一一个在光频的跃迁能量.
两年前有一个突破，有一组科学家实现了把原子核嵌入在晶体中.
去年我们很大胆地说要做千 hertz 的原子钟，但是我们在实验中非常惊讶地发现，在 10 s 的曝光时间中原子几乎没有产生任何展宽，所以这意味着我们的实验已经完全能够支持原子核钟的实现.
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2025/11/6 03:54
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