科学家们正在使用原子钟来探索宇宙中一些最大的谜团，包括暗物质的本质，在实验室中进行研究。在这个过程中，他们说，他们正在将宇宙学和天体物理学“带到地球”。
这个项目是英国苏塞克斯大学和国家物理实验室（NPL）之间的合作，利用这些非常精确的钟表的滴答声来寻找迄今为止未知的超轻粒子。这些粒子可能与暗物质有关，暗物质是一种神秘的非发光物质，占据了宇宙中物质的绝大部分，但对我们来说几乎是不可见的，因为它不与光或更准确地说，电磁辐射相互作用。科学家们认为，大多数星系都被暗物质的云层包围着，但它的存在只能通过它对引力的影响来推断。
“我们所知道的宇宙是由物理定律所支配的，所以引力是由广义相对论所支配的，而粒子物理是由粒子物理标准模型所支配的。”该项目的负责人、苏塞克斯大学物理学教授Xavier Calmet告诉Space.com。“我们称这些定律之外的偏差为‘物理崩溃’——基本上，这是超出我们目前对宇宙理解的新物理。
原子钟是一种利用原子或分子的振动频率来测量时间的仪器。它们是目前已知的最精确的时钟，可以精确到秒的十亿分之一。NPL拥有世界上最精确的原子钟之一，称为NPL-CsF2，它可以在1亿年内只失去一秒。
“我们使用原子钟来测量时间，因为它们是非常稳定的。”Calmet说。“但是，如果存在一些新的物理现象，比如暗物质或暗能量，它们可能会影响原子能级，从而改变原子钟的频率。”
Calmet和他的团队认为，这些新物理现象可能与一种未知的超轻粒子有关，它们可以与普通物质相互作用，但非常微弱。“我们假设这些粒子是暗物质或暗能量的候选者之一。”他说。“我们不知道它们的质量或耦合强度，但我们可以用原子钟来探测它们。”
他们的想法是，如果这些粒子存在于我们周围，它们会在空间中形成一个场，类似于电磁场或引力场。这个场会随着时间而变化，从而影响原子能级。“如果我们有两个不同类型的原子钟，比如铯钟和镱钟，它们对这个场的敏感度可能不同。”Calmet解释说。“所以如果我们比较两个时钟的频率差异，我们可能会发现一些周期性的变化，这就是新物理现象的指示。”
为了测试这个想法，Calmet和他的团队正在使用NPL提供的两种不同类型的原子钟：铯钟和镱钟。他们已经收集了两年多的数据，并正在分析结果。“我们还没有发现任何异常信号，但我们已经得到了一些有趣的限制。”他说。“我们可以排除一些参数空间，也就是说，我们可以确定某些质量和耦合强度范围内不存在这样的粒子。”
Calmet说，他们计划继续收集更多数据，并与其他国家和机构合作，以提高灵敏度和覆盖范围。“我们希望能够发现一些新物理现象，或者至少给出一些更严格的限制。”他说。“这将是一个重大突破，因为它将揭示暗物质或暗能量的本质。”