巨大的原子有助于揭示“暗物质”

宇宙是一个神秘得惊人的地方。被称为暗物质和暗能量的神秘物质约占其中的95%。尽管我们付出了巨大的努力来找出它们是什么，但我们就是不知道。

我们知道暗物质的存在是因为星系团的引力作用——我们在星系团中看到的物质不足以通过引力将其结合在一起。所以一定有一些额外的物质，由我们看不见的未知粒子组成。几个候选粒子已经被提议了。

科学家们正试图通过观察这些未知粒子如何影响我们周围的普通物质来弄清楚这些未知粒子是什么。但到目前为止，它被证明是困难的，所以我们知道它充其量只与正常物质相互作用很弱。现在我的同事本杰明·瓦尔科和我提出了一种探测暗物质的新方法，可能会成功:通过使用被拉伸到4000倍的原子比平时大。

有利的原子

从希腊人认为原子是所有物质不可分割的组成部分的观点来看，我们已经走了很长一段路。证明原子存在的第一个基于证据的论点是由约翰·道尔顿在19世纪早期提出的．但直到20世纪初，j·j·汤姆森和欧内斯特·卢瑟福发现原子由电子和原子核组成。不久之后,欧文薛定谔用今天所谓的量子理论从数学上描述了原子。

现代实验已经做到了诱捕和操纵单个原子具有卓越的精度。这些知识已被用于创造新技术，如激光和原子钟，未来的计算机可能使用单个原子作为其主要部件。

单个原子很难研究和控制，因为它们对外界扰动非常敏感。这种灵敏度通常是不方便的，但我们的研究表明，它使一些原子成为探测粒子的理想探测器，这些粒子与普通物质没有强烈的相互作用，比如暗物质。

我们的模型是基于这样一个事实:弱相互作用的粒子必须从它碰撞的原子核反弹，并与原子核交换少量的能量——类似于两个撞球之间的碰撞。能量交换会产生原子核的突然位移，最终电子会感觉到。这意味着原子的整个能量都发生了变化，可以通过分析这些变化来获得有关碰撞粒子性质的信息。

然而，传递能量的量非常小，所以需要一种特殊的原子来进行相互作用。我们算出所谓的"里德伯原子就能达到目的。这些原子的电子和原子核之间的距离很长，这意味着它们具有很高的势能。势能是储存能量的一种形式。例如，一个放在高架子上的球有势能，因为如果它从架子上掉下来，势能可以转化为动能。

在实验室中，可以捕获原子并将它们制备为里德堡态——使它们的大小达到原始大小的4000倍。这是通过用特定频率的激光照射原子来实现的。

这个准备好的原子可能比暗物质粒子重得多。因此，与其说是台球撞击另一个台球，不如说弹子撞击保龄球更为恰当。大原子比小原子更容易受到碰撞的干扰，这似乎很奇怪——人们可能会认为相反(当碰撞发生时，较小的物体通常更容易受到影响)。

这种解释与里德堡原子的两个特征有关:它们高度不稳定，因为它们的能量很高，所以轻微的扰动会使它们更加不安。此外，由于其面积大，原子与粒子相互作用的概率增加，因此它们将遭受更多的碰撞。

发现最微小的粒子

目前的实验通常通过探测它们在地球上的原子核或电子上的散射来寻找暗物质粒子。他们通过在大罐液态稀有气体中寻找光或自由电子来做到这一点，这些液体稀有气体是由暗物质粒子和液体原子之间的能量转移产生的。

但是，根据量子力学定律，光的产生需要一定的最小能量转移。打个比方，一个粒子与吉他弦碰撞:它会产生一个我们能听到的音符，但如果粒子太小，弦就根本不会振动。

所以这些方法的问题是暗物质粒子必须足够大如果我们要用这种方法探测它。然而，我们的计算表明，即使是小质量的粒子，里德堡原子也会以一种显著的方式受到干扰——这意味着它们可以用于寻找其他实验遗漏的暗物质候选粒子Axion这是一种假想的粒子，是暗物质的有力候选者。

实验需要对原子进行极其小心的处理，但不需要在像这样深的地下设施中进行其他的实验因为与暗物质相比，里德伯格原子预计不太容易受到宇宙射线的影响。

我们正在努力进一步提高系统的灵敏度，旨在扩大它可能能够感知的粒子范围。

除了暗物质之外，我们还计划有一天将其应用于探测引力波也就是爱因斯坦很久以前预测的空间结构中的波纹。这些时空连续体的扰动最近发现的但我们相信，通过使用原子，我们可能能够探测到与已经观测到的引力波频率不同的引力波。

迭戈·a·Quiñones，量子信息博士生，利兹大学

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