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科学家探索暗物质的新手段:有史以来最为准确的原子钟网络

2018-12-09 17:16 前瞻网   

 

科学家探索暗物质的新手段:有史以来最为准确的原子钟网络

研究人员正在使用一个由有史以来最精确的计时器组成的全球网络去搜寻暗物质(暗物质是一种无形的物质,研究人员认为它约占宇宙所有物质的六分之五)。

暗物质的存在是通过它对恒星和星系运动的引力作用而人们被提出的。然而,它的成分对于人们来说仍是一个谜。科学家曾经执行过许多项目,从有史以来最强大的核粒子加速器到大桶大桶的寒冷液态氙等,但到目前为止都均未能找到暗物质的一丝痕迹。波兰托伦哥白尼大学的物理学家主要研究作者Piotr Wcisło说。

科学家们已经基本上排除了所有已知的粒子作为暗物质的可能解释。剩下的一种可能性是:暗物质是由一种新的粒子构成的;另一个原因有可能是暗物质根本就不是由粒子组成的,而是一个像引力一样遍布空间的场。

Wcisło说,先前的研究表明,如果暗物质是一个场的话,场的内部可能出现不同的结构——拓扑缺陷,“像点,线,面这样的拓扑缺陷,甚至可能会达到至少有一颗行星的大小。这些结构可能是在大爆炸后的混沌中形成的,而随着早期宇宙冷却下来时,它们基本冻结成稳定的形式。

现在,科学家们正在通过寻找一些最精确的科学仪器(原子钟)中的扰动,来测试暗物质场的存在。这些仪器通过监测原子的颤动来计时,就像落地大摆钟依靠摆动的钟摆来计时一样。现在,这些原子钟非常精确,每150亿年误差不超过1秒,比宇宙138亿年的年龄还久。

与拓扑缺陷的相互作用可以使原子钟的原子暂时抖动得更快或更慢。通过监测一个由原子钟组成、并且跨度超越拓扑缺陷的同步网络,科学家们可以探测到这些幽灵般的结构的存在,还可以测量它们的一些特性,比如它们的大小和速度。

研究人员使用光学原子钟,当原子被冷却到接近绝对零度而运动变慢时,再用激光束测量原子的运动。他们计算出,原子在通过一个拓扑缺陷的时候可以增加或减少精细结构常数(精细结构常数描述了电磁力的整体强度)。这些变化将改变原子对激光的反应方式和时钟滴答的频率。

暗物质的另一种可能解释是,它的效应是由场强随时间而变化所引起的,而场强的变化又导致电磁场强度的规律性波动。科学家们指出,理论上,原子钟可以帮助探测这种“相干振荡的经典标量场”。

通过分析美国科罗拉多州、法国、波兰和日本三个大洲的四个原子钟,研究人员可以发现这些精细结构常数的细微变化,其灵敏度是之前实验的100倍左右。然而,他们没有发现任何与暗物质一致的信号。

光学原子钟的主要问题之一是它们可以目前只可以持续运行大约一天的时间,Wcisło说。其中一个原因是光学原子钟需要使许多激光器保持同步才能工作,但随着时间的推移,至少有一束激光器会失去同步。然而Wcisło指出他们的网络具备一个关键的优势,那就是它不需要三个时钟同时运行。

科学家们在未来一两年内计划将这种时钟网络的数量增加两倍,Wcisło说,这可能会使这个网络的灵敏度和观察时间增加10倍或更多。

科学家们于12月7日在《科学进展》杂志的网站上详细介绍了他们的发现。

 

责任编辑: 3980SYN

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