通过超精密原子钟网络探测暗物质

编译：艾宇熙

校译：徐鹏晖

编排：黄卓尔

研究者们认为，暗物质占宇宙总物质量的六分之五左右。波兰哥白尼大学的物理学家Piotr

Wcisło在近期采访中告诉我们，恒星和星系受到的引力作用可以通过暗物质的存在来解释，但暗物质的本质究竟是什么始终是一个未解之谜。迄今为止，即便是最强大的原子对撞机也无法解决这一问题。

科学家们已经排除了暗物质是任何已知粒子的可能性。还剩下的一种可能假设就是，暗物质由一种未知粒子构成；另一种可能假设是暗物质不是由粒子构成的，而是一种对空间施加类似引力场作用的场。

先前的研究表明，如果暗物质是一种场，那么它其中可能产生的结构——即点、线、面状的“拓扑缺陷”可能达到星球大小的尺度。这些结构可能是在宇宙大爆炸后初期形成的，在早期宇宙逐渐冷却下来的过程中被固定下来。

现在，科学家们在通过寻找原子钟的扰动检测暗物质场。原子钟可能是人类迄今为止制造的最为精密的科学仪器之一，它通过原子的振动测定时间。目前的原子钟的测时精度可达每150亿年仅有1秒误差，而宇宙的年龄仅有138亿年。

暗物质场的拓扑缺陷可以使原子钟走得更快或更慢。如果在较大的空间范围内布置一个同步原子钟网络，使得原子钟之间的间距大过拓扑缺陷的尺度，就有可能在拓扑缺陷干扰到网络中一些原子钟的时候检测到不同原子钟之间测时的差异，从而探测到拓扑缺陷结构的存在，以及这些结构的某些性质，比如大小和速度。

研究者们引入了光学原子钟，光学原子钟通过激光束测量原子的运动，而原子的运动在体系降温至绝对零度附近时会变慢。如果一个拓扑缺陷从原子钟上穿过，就会改变描述电磁力总效果的精细结构常数，进而改变原子对激光的响应和原子钟的测时。

对暗物质的另一个可能解释是，暗物质的效果由随时间变化的场产生，变化的场导致电磁场强度的规律性涨落。科学家们指出，理论上，原子钟有助于探测“相干震荡的经典标量场”。

目前的原子钟网络位于三大洲的四个国家——美国科罗拉多州、法国、波兰和日本。这一网络将测定精细结构常数变化的能力比先前的手段提高了100倍。不过到目前为止，他们尚未检测到任何与暗物质有关的信号。

Wcislo告诉我们，光学原子钟的一个主要问题是目前它们能持续工作的时间只有一天左右。光学原子钟需要多个激光束处于同步状态，而一段时间（比如一天）后，至少有一个激光束就会脱离同步状态。而Wcislo团队工作的一大优势就是他们的原子钟网络不需要全部的原子钟同时工作。

科学家们计划在未来一到两年内再布置与现在相同数目的原子钟，新原子钟网络可以进一步增加测量的灵敏度和测量时间。

相关研究于2018年12月7日在线发表在《科学进展（Science Advances）》期刊上。

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