神秘原子發現能否揭開暗物質之謎？

物理學家在尋找暗物質的過程中，意外發現了變形的原子核。當頂尖研究團隊攜手合作，往往能催生突破性的發現。德國聯邦物理技術研究院（PTB）與海德堡馬克斯普朗克核物理研究所（MPIK）的量子物理學家們，便是如此。他們結合了原子物理學與核物理學，以前所未有的精確度，運用兩種不同的測量技術進行研究。與此同時，達姆施塔特工業大學與漢諾威萊布尼茲大學的理論物理學家們，也對原子核結構進行了新的計算。他們的研究結果顯示，原子電子殼層的測量能夠揭示其核形狀與變形的寶貴資訊。

這些高精度的測量同時也幫助確定了暗物質作用於中子與電子之間的可能強度新界限。這項研究成果已發表於最新一期的《物理評論快報》（Physical Review Letters）。近一個世紀以來，科學家們已知宇宙中大部分物質是看不見的，以神秘的暗物質形式存在，並透過重力與普通物質相互作用。然而，是否存在其他能夠與暗物質及可見物質溝通的暗力量，至今仍未有定論。

如果這種力量存在，它們也應該會影響原子，而現代科技使科學家能夠以極高的精確度研究原子。測量同位素中電子共振的偏移，是揭示核與電子結構之間相互作用的一種特別有效的方法。同位素是同一元素的不同形式，僅由其核中中子數量的變化來區分。2020年，麻省理工學院（MIT）的研究人員在研究元素鐿的同位素偏移時，觀察到了意料之外的現象。他們的測量顯示了一種非線性偏差，這一結果與現有理論不符。

這一發現震驚了物理學界。這一異常是否是新暗力量的首個跡象，還是揭示了原子核先前未知的特性？原子物理學家是否僅僅透過比較不同同位素中電子的轉換頻率，便無意中踏入了核物理學的領域？帶著這個問題，PTB的Tanja Mehlstäubler與MPIK的Klaus Blaum開始研究鐿同位素的偏移。他們的研究團隊對鐿同位素的原子轉換頻率與同位素質量比進行了高精度測量。PTB使用了線性高頻離子阱與超穩定鐳射系統進行光譜分析，而MPIK則在PENTATRAP Penning陷阱質譜儀中確定了同位素質量比。這些測量的精確度比以往的同類測量高出百倍。

研究人員確認了這一異常，並在達姆施塔特工業大學Achim Schwenk團隊的新核理論計算幫助下，提供瞭解釋。他們與海德堡MPIK的理論原子物理學家、悉尼新南威爾士大學以及漢諾威萊布尼茲大學的粒子物理學家合作，確定了暗力量存在的新界限。國際合作團隊甚至能夠利用這些資料，直接獲取鐿同位素鏈中原子核變形的資訊。這為理解重原子核結構與富含中子的物質物理學提供了新的見解，而這些物質是理解中子星的基礎。

這項研究為原子、核與粒子物理學在尋找新物理學及更好地理解決定物質結構的複雜現象方面，開闢了新的合作機會。