实验暂未成功：超长光纤链路+GPS原子钟，天地联合探测暗物质
实验暂未成功：超长光纤链路+GPS原子钟，天地联合探测暗物质
在暗物质探测领域，一个由德国和澳大利亚学者组成的国际研究团队近日公布了一项重要研究。他们利用超长光纤链路和GPS原子钟进行天地联合探测，虽然目前尚未发现显著的暗物质信号，但这一创新方法为未来的研究开辟了新方向。
作为一种不发光、具有显著引力效应的“隐形”物质，暗物质充斥于广袤的宇宙环境中，是宇宙学家关注的热点。对于暗物质的实验探索，一直是天体物理学的终极科学谜题。面对这种神秘却在宇宙中普遍存在的物质，科学家的探索犹如在黑暗森林中捕获无形的猎物。
20世纪30年代，瑞典天文学家兹威基在观测天文星团时，意外发现星系的运动速度远远超出可见物质自身引力所能提供的束缚程度。在实验数据支撑的条件下，他大胆推测：宇宙中存在大量的“失踪质量”，并首次提出了“暗物质”的概念。但这个猜想在当时并未被广泛接纳。直到1974年，美国和苏联科学家分别发表的学术论文，通过结合多项天文观测数据，得出了高度近似的结论：组成宇宙的大部分物质都存在于星系周围不可见的空间中，宇宙本身也比人类最初预估的要重上10倍。
图1 对于暗物质的研究，构成了现代天文学的理论框架（图源：Witthaya Prasongsin/ Getty Images）
这两篇论文的出现，改变了人类对宇宙形成过程的认知，成为了“对星系结构、形成过程以及宇宙学理解的分水岭”，也使得暗物质成为了现代宇宙学的核心支柱之一。可以说，暗物质就是宇宙大尺度结构形成所需倚靠的“脚手架”。而对其存在状态的探索，也成为了持续数十载的科学难题。由于暗物质不会吸收或反射电磁波，因此常见的光传感模组无法对暗物质进行捕获成像，这也是暗物质探索的难点所在：只能依靠间接测量的方式，在极端实验条件下去捕获微弱测量信号。
传统的暗物质探测手段大致可分为三类：1）深地实验（如我国的CDEX实验）：通过布置大量传感器，捕获暗物质粒子与探测器内部物质原子核碰撞时所产生的微弱信号；2）空间实验：通过引力透镜效应或宇宙微波背景辐射，间接推测暗物质的分布；3）对撞机实验：通过高能碰撞，直接“创造”暗物质粒子。而澳大利亚昆士兰大学与德国国家计量研究所（PTB）的联合研究团队，则创造性地开辟了暗物质探索的“第四类”方法：利用精密光学测量技术，捕获暗物质与常规物质间的超微弱作用；而他们所使用的“秘密武器”，是两套看似毫不相关的设备：由2220公里光纤串联的腔稳定激光器以及GPS卫星上所搭载的铷原子钟。
超稳激光器的核心工作原理很简单：当激光在真空谐振腔中共振时，其自身频率与谐振腔的腔长严格锁定。当腔体在暗物质作用下，发生原子尺度的膨胀或收缩时，激光自身的频率也会随之发生可被探测仪器分辨的偏移。研究团队利用了英国国家物理实验室和PTB的两台超稳激光光源，并重启了一条部署在英国、法国以及德国研究机构的长达2220公里的光纤链路：通过横跨欧洲大陆的光纤网络，实时比对激光器工作频率。这种超长链路设计暗藏巧思：如果暗物质以“玻色子场”的形式弥漫于宇宙之中，其波动可能会在英、德两国的激光器信号中引发同步振荡；而常规的噪声（地震、温度变化等）则会因距离遥远而难以产生相干性，进而被有效过滤。
图2 部署在英、法、德三国间的光纤链路[2]
与此同时，该团队还对24颗GPS卫星上所搭载铷原子钟的数据进行了分析。需要说明的是，这些GPS卫星以两万公里的轨道高度绕地球飞行，其上所搭载原子钟因相对论效应（引力时间膨胀与速度时间延迟）影响，每天均需校准数微秒误差。研究假设，若暗物质与电子发生耦合，可能会改变原子钟的精细结构参数α，进而使卫星上所搭载的铷原子钟与地基氢原子钟之间，产生无法解释的数字偏差。这种“天地联合探测”的手段，形成了一道双重保险：激光链路对空间扰动敏感，而原子钟则对时间维度的变化敏感，二者结合，可以在更多参数维度上对暗物质的存在状态进行探测。
虽然经过大量的数据分析并未发现具有显著统计分布规律的振荡信号或时钟偏差数据，但通过这项研究，研究人员得到了标量暗物质与电子耦合的质量范围：10-19-2×10-15eV/c2。这也好比在暗物质的“藏身区域”上划掉了一块，使得后续实验能够转向其他可能的方向上。
此项工作的深层次意义，在于验证了“多信使天文学探测”的可行性，并且填补了对中间质量范围暗物质探测的技术空白，其突破性在于不依赖任何具体的粒子模型，而是通过对“常规物理量的异常表现”进行广谱搜索和监测，这种“无假设探测”的策略，或许也更适应于暗物质的探测研究。正如团队负责人所言：“我们正在编织一张覆盖时空的探测网。暗物质或许能暂时隐藏，但只要它留下任何蛛丝马迹，终将被人类捕获。”
资讯来源：
[1]Optics & Photonics News - Lasers Aid the Search for Dark Matter
参考文献：
[1] Filzinger, Melina, Ashlee R. Caddell, Dhruv Jani, Martin Steinel, Leonardo Giani, Nils Huntemann and Benjamin M. Roberts. Ultralight Dark Matter Search with Space-Time Separated Atomic Clocks and Cavities. Physical Review Letters, 134(3): 031001 (2025).
[2] Schioppo, M., J. Kronjäger, A. Silva, R. Ilieva, J. W. Paterson, C. F. A. Baynham, W. Bowden, et al. Comparing Ultrastable Lasers at 7 × 10−17 Fractional Frequency Instability through a 2220 Km Optical Fibre Network.Nature Communications, 13(1): 212 (2022).