科學家探索暗物質的新手段：有史以來最為準確的原子鐘網路

研究人員正在使用一個由有史以來最精確的計時器組成的全球網路去搜尋暗物質(暗物質是一種無形的物質，研究人員認為它約佔宇宙所有物質的六分之五)。

暗物質的存在是通過它對恆星和星系運動的引力作用而人們被提出的。然而，它的成分對於人們來說仍是一個謎。科學家曾經執行過許多項目，從有史以來最強大的核粒子加速器到大桶大桶的寒冷液態氙等，但到目前為止都均未能找到暗物質的一絲痕迹。波蘭托倫哥白尼大學的物理學家主要研究作者Piotr Wcis?o說。

科學家們已經基本上排除了所有已知的粒子作為暗物質的可能解釋。剩下的一種可能性是：暗物質是由一種新的粒子構成的;另一個原因有可能是暗物質根本就不是由粒子組成的，而是一個像引力一樣遍布空間的場。

Wcis?o說，先前的研究表明，如果暗物質是一個場的話，場的內部可能出現不同的結構——拓撲缺陷，「像點，線，面這樣的拓撲缺陷，甚至可能會達到至少有一顆行星的大小。這些結構可能是在大爆炸後的混沌中形成的，而隨著早期宇宙冷卻下來時，它們基本凍結成穩定的形式。

現在，科學家們正在通過尋找一些最精確的科學儀器(原子鐘)中的擾動，來測試暗物質場的存在。這些儀器通過監測原子的顫動來計時，就像落地大擺鐘依靠擺動的鐘擺來計時一樣。現在，這些原子鐘非常精確，每150億年誤差不超過1秒，比宇宙138億年的年齡還久。

與拓撲缺陷的相互作用可以使原子鐘的原子暫時抖動得更快或更慢。通過監測一個由原子鐘組成、並且跨度超越拓撲缺陷的同步網路，科學家們可以探測到這些幽靈般的結構的存在，還可以測量它們的一些特性，比如它們的大小和速度。

研究人員使用光學原子鐘，當原子被冷卻到接近絕對零度而運動變慢時，再用激光束測量原子的運動。他們計算出，原子在通過一個拓撲缺陷的時候可以增加或減少精細結構常數(精細結構常數描述了電磁力的整體強度)。這些變化將改變原子對激光的反應方式和時鐘滴答的頻率。

暗物質的另一種可能解釋是，它的效應是由場強隨時間而變化所引起的，而場強的變化又導致電磁場強度的規律性波動。科學家們指出，理論上，原子鐘可以幫助探測這種「相干振蕩的經典標量場」。

通過分析美國科羅拉多州、法國、波蘭和日本三個大洲的四個原子鐘，研究人員可以發現這些精細結構常數的細微變化，其靈敏度是之前實驗的100倍左右。然而，他們沒有發現任何與暗物質一致的信號。

光學原子鐘的主要問題之一是它們可以目前只可以持續運行大約一天的時間，Wcis?o說。其中一個原因是光學原子鐘需要使許多激光器保持同步才能工作，但隨著時間的推移，至少有一束激光器會失去同步。然而Wcis?o指出他們的網路具備一個關鍵的優勢，那就是它不需要三個時鐘同時運行。

科學家們在未來一兩年內計劃將這種時鐘網路的數量增加兩倍，Wcis?o說，這可能會使這個網路的靈敏度和觀察時間增加10倍或更多。

科學家們於12月7日在《科學進展》雜誌的網站上詳細介紹了他們的發現。

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