人們認為暗物質構成了宇宙中約五分之六的物質。然而，令人難以置信的是，從有史以來建造的最強大的原子對撞機到裝滿冰冷液態氙的大桶，各種複雜的專案都沒有發現它的蹤跡。但現在，一些科學家希望利用原子鐘——有史以來最精確的計時器，來幫助解釋這種難以捉摸的現象。
許多物理學家認為暗物質是一種看不見的物質，其預測的對已知物質的引力效應將有助於解釋各種宇宙謎團，例如為什麼星系可以以如此快的速度旋轉而不會飛散。然而，儘管它對宇宙的結構顯然具有巨大的重要性，但沒有人確切地知道它可能由什麼構成或來自哪裡。週一，波蘭的一組物理學家在《自然天文學》雜誌上發表了一項研究，該研究表明，原子鐘“滴答”速度的波動可能有助於揭示明顯的暗物質如何影響已知物質。
科學家們已經基本排除了所有已知的粒子作為暗物質的可能解釋。這表明它可能由一種不屬於物理學標準模型的粒子組成，而標準模型是我們目前對亞原子世界的最佳工作描述。另一種可能性是暗物質根本不是由粒子組成的；相反，它是一個場，像引力一樣滲透到空間中。之前的研究表明，這種暗物質場中可能會出現結構——形狀像單點、弦或片狀的穩定的“拓撲缺陷”。這些結構可能是在大爆炸後的熱混沌時期形成的，並且在早期宇宙冷卻下來時基本上凍結成了穩定的形式。
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如果地球穿過這樣的拓撲缺陷（研究人員表示，原則上它至少可以達到行星大小），它可能會引發一些有史以來最精確的科學儀器可以檢測到的變化：原子鐘。這些機器透過監測原子的擺動來計時，就像老式座鐘依靠擺動的鐘擺一樣。現代原子鐘非常精確，以至於它們每150億年最多隻會損失一秒，這比人們認為的宇宙存在時間138億年還要長。
根據內華達大學裡諾分校的理論物理學家安德烈·德雷維揚科和安大略省圓周理論物理研究所的馬克西姆·波斯佩洛夫之前的研究，穿過拓撲缺陷可能會使原子鐘的原子暫時擺動得更快或更慢。德雷維揚科和波斯佩洛夫表示，透過觀察一個足夠分散的同步原子鐘網路，使得拓撲缺陷可以影響一些時鐘而不影響其他時鐘，科學家可以檢測到拓撲缺陷的存在並測量它的一些屬性。
但在週一的《自然天文學》報告中，波蘭尼古拉·哥白尼大學的物理學家皮奧特·維西沃和他的同事認為，單個原子鐘可能足夠敏感，可以揭示暗物質的性質。研究人員分析了拓撲缺陷如何影響單個光學原子鐘，該原子鐘使用可見雷射束來測量原子在被冷卻到接近絕對零度的溫度時的運動。研究人員的模型表明，穿過擬議的暗物質場中的缺陷可能會增加或減少電磁力的整體強度，這反過來會改變原子對照明的反應方式。
德雷維揚科和波斯佩洛夫已經表明，至少需要兩個原子鐘才能檢測到拓撲缺陷的影響。根據該模型，“如果我們想看到一個時鐘滴答得更快或更慢，我們需要有另一個時鐘作為參考，”維西沃說。但他和他的同事建議，或許可以觀察單個光學原子鐘中的兩個元素：其超冷的振動原子以及雷射在其內部確定原子振動頻率的腔室。穿過拓撲缺陷可能會導致振動原子和腔室內的雷射頻率都發生可測量的變化。
維西沃和他的同事使用光學原子鐘進行了實驗來測試他們的想法。他們的發現將原子與拓撲缺陷之間任何相互作用的強度之前的限制提高了千倍以上。維西沃說，如果光學原子鐘能夠發現任何拓撲缺陷的跡象，“它就可以為現代物理學的一些最基本的問題提供答案，例如暗物質的本質、標準模型和引力之間的關係，或者基本常數是否真的是常數。”
儘管這些發現表明單個時鐘可能有助於檢測拓撲缺陷，但德雷維揚科指出，原子鐘網路仍然可以揭示這種暗物質潛在解釋的其他方面，例如這些假設缺陷可能的大小。他計算出，由於太陽系以每秒約 300 公里的速度圍繞銀河系中心旋轉，因此穿過一個地球大小的拓撲缺陷大約 30 秒會影響地球上洲際的原子鐘網路。
已經存在幾個原子鐘網路，包括全球定位系統 (GPS) 衛星上的銣和銫網路。“我們正在挖掘十年的 GPS 時鐘檔案資料來搜尋暗物質的跡象，”德雷維揚科說。“本質上，我們正在使用 GPS 作為最大的人造暗物質探測器。”
儘管如此，這些衛星時鐘仍落後於最先進的實驗室光學原子鐘。維西沃指出，他的團隊的發現表明，最好的原子鐘可以聯合起來形成一個巨大的暗物質天文臺，而無需像以前認為的那樣，使用數千公里長的光纖鏈路來連線它們。“我們的方法使得建立此類探測器的全球網路的想法成為可能，而無需在實驗裝置方面進行任何進一步的開發，”他補充道。