尽管暗物质占宇宙观测质量的80%左右，但物理学家仍然不知道它究竟是什么。问题的一部分在于，暗物质不与光相互作用，而我们的大多数望远镜都依靠光来收集宇宙信息。
为了克服这一挑战，许多研究人员正致力于利用物理学的基本定律并开发新的方法来探测暗物质。其中一种方法是使用原子钟，这是我们目前最精确的仪器之一。
在最近发表于《物理评论快报》的一篇论文中，德国物理技术联邦学院（PTB）的研究人员比较了两座原子钟，试图寻找它们“滴答”声中可能存在的暗物质信号的最小差异。
什么是原子钟？
原子钟的工作原理是通过精确测量原子从较高能态（通常由激光脉冲触发）跃迁到较低能态时的能量。在某些情况下，这种跃迁会导致光子（或光粒子）的发射。这也可以用来测量原子较低能态和较高能态之间的能量差。
“关键在于你要考察所有不同的原子跃迁，并找出其中最稳定的一种，”加州大学欧文分校的博士后研究员 Yu-Dai Tsai 说，他并未参与近期的项目。“你需要能够精确地观测它，以确保你的时间永远准确。”
由于原子钟依赖于像铯这样的原子的能量跃迁，而铯在巨大的时间尺度上是稳定的，因此它们的计时极其精确。它们每1亿年才会损失一秒钟。
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原子钟能探测暗物质吗？
正是因为这种精度，物理学家正在将原子钟视为一种探测暗物质的方法。特别是，他们正在寻找“超轻”暗物质。
“我们使用‘超轻’这个词来指代那些粒子质量远低于我们所熟悉质量的暗物质模型，”位于东京大学宇宙物理数学研究所的博士后研究员 Joshua Eby 说，他并未参与该研究项目。“‘超轻’暗物质模型中，粒子质量非常轻。”
他继续说道：“这些超轻粒子的微小质量带来的一个令人难以置信的后果是，它们的量子波动性质可以在宏观尺度上显现出来。暗物质‘波’以与行星、太阳系大小相当，甚至在极端情况下，接近整个星系的大小在空间中传播。”
当这些波穿过暗物质探测器时，研究人员可以以可预测的方式观察它们的起伏。
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精细结构常数
PTB 的研究人员希望观察这些波动是否会影响一种称为精细结构常数的自然计时常数。该常数会影响原子钟的能量跃迁，这意味着该常数的任何振荡都会导致原子钟“滴答”声出现差异。
为了测量这些振荡，研究人员在相同的实验装置中比较了两座原子钟，这是前所未有的。
“通过以交错的方式探测单个离子中的两个光学时钟跃迁，我们证明了一个实验装置足以提供有竞争力的[超轻暗物质]搜索数据，”PTB 的博士生、该论文的首席作者 Melina Filzinger 说。
研究人员对这些时钟进行了超过26个月的仔细测量，但并未发现精细结构常数有任何振荡——这意味着两座原子钟的“滴答”声之间没有差异。
暗物质逃避探测
虽然他们的结果并未发现两座原子钟之间有任何差异，但他们确实改进了测量边界；换句话说，暗物质的信号可能仍然存在，只是超出了当前原子钟测量能力的极限。
尽管结果在该特定地点没有探测到暗物质，但该团队希望继续改进他们的实验，并将测量推向更小的尺度，因为暗物质可能隐藏在那里。
由于世界各地有许多其他研究人员正在致力于提高原子钟的精度以用于其他用途，例如GPS导航，这些改进也可能对未来暗物质的探测大有帮助。
Eby 说：“如今，原子钟已经是世界上最灵敏的暗物质探测器之一，并且在未来几年内有巨大的改进潜力。”
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