暗物質終極探測器：以釷-229 開發核鐘，檢測比重力弱 10 兆倍的力

一項期待已久的科學創舉，有望解開宇宙最神秘暗物質之謎。

暗物質藏在宇宙隱秘角落，對許多已觀察到的宇宙現象佔重要影響力，然而它不發光也不吸收光，幾乎不與普通物質相互作用，其存在僅透過重力作用顯現，迄今所有實驗設備都未直接探測到明確暗物質訊號。

近百年來，全世界研究人員利用各種方法試圖揭發暗物質，從嘗試以粒子加速器產生暗物質，到尋找暗物質可能發出的微弱宇宙輻射，但神秘暗物質核心特徵很大程度上還是未知。

一些專家建議建立基於原子核振盪來測量時間的「核鐘」，這類型時鐘極度精確，暗物質就算在時空引發最小波動也有機會被發現。

釷核鐘計時

去年，一個研究團隊宣布成功用雷射改變放射性同位素釷-229（thorium-229）的原子核狀態，實現建造核鐘一大里程碑；魏茲曼科學研究所物理學教授 Gilad Perez 團隊很快看見利用釷-229 尋找暗物質的機會，利用釷-229 特殊性質開發的精確釷核鐘能檢測比重力弱 10 兆倍的力，目標精確測量暗物質粒子與普通物質之間的微弱作用。

就像盪鞦韆的人需在正確時機出力以保持過程平穩，原子核也有一個在不同量子態（基態、激發態）之間如鐘擺來回躍遷的最佳振盪頻率，物理學稱為共振頻率，當以特定頻率光源反覆激發原子核，使其在 2 個量子態之間躍遷，由於原子核從激發態回到基態會釋放光子，此過程頻率非常穩定，可用來定義時間單位，利用原子核的能級躍遷來計時就是核鐘原理。

為確定原子核共振頻率，物理學家以不同頻率雷射轟擊原子核，觀察它在不同量子態躍遷需吸收/發射多少能量，根據這些結果建立吸收光譜，引起最大吸收的頻率被認為是原子核共振頻率。

多數材料原子核共振頻率很高，需利用強輻射才能激發核，而釷-229 同位素是罕見例外，它的第一激發態能量極低（共振頻率極低），利用標準雷射技術就能操縱釷-229 原子核，過去半世紀，科學家無法以足夠精度衡量釷-229 共振頻率，直到去年終於成功找到使釷原子核能態躍遷的正確能量，證明雷射光束可改變釷原子核狀態。