Астрономія
Фізика
Астрономія
Фізика

Атомний годинник встановив нові межі пошуку сигналів темної матерії

Астрофізики з Об’єднаного інституту лабораторної астрофізики JILA виявили нові межі коливань сигналів, які можна буде сприйняти за темну матерію. Вони використали атомний годинник на оптичній решітці зі стронцію і резонатор з кремнієвого монокристала та зосередилися на надлегкій темній матерії з масою меншою за електрон, яка гравітаційно пов’язана з галактиками. Такий спосіб вимірювання зменшує діапазон сили зв’язку темної та звичайної матерії і є найбільш точним на цьому етапі розвитку технологій, стверджують вчені у дослідженні, опублікованому в журналі Physical Review Letters.

Чому саме атомний годинник?

Атомні годинники вже раніше використовували, щоб спробувати “впіймати” темну матерію, адже вони потенційно можуть зафіксувати сліди її взаємодії з видимою. Вважається, що така гравітаційна взаємодія настільки слабка, що зафіксувати її в земних умовах неможливо, проте вона може викликати коливання фундаментальних констант - сталої тонкої структури та маси елементарних частинок. Ці коливання вплинуть на частоту переходів між енергетичними рівнями в атомах, а отже і на значення атомних годинників. Більшість таких годинників використовують атоми ізотопу цезію-133, де час вимірюється за допомогою мікрохвиль, випромінюваних електронами навколо цих атомів. У своїй роботі вчені використали розроблений ними у 2017 році годинник нового покоління на основі стронцієвої 3D-решітки. Він дає змогу досліджувати атоми, розташовані набагато щільніше - 10 трильйонів на кубічний сантиметр, порівняно з 10 мільярдами в попередніх схемах.

Що вимірюють вчені?

Команда JILA зосередилася на надлегкій темній матерії. У цій теоретичній моделі надлегкі скалярні частинки темної речовини масою набагато меншою за один електрон, утворюють конденсат Бозе-Ейнштейна та поводяться колективно як класична хвиля. Оскільки цей тип темної матерії гравітаційно пов'язаний з галактиками, а відповідно, і зі звичайною матерією, експерименти вчених націлені на виявлення “ефекту притягання” темної матерії на електромагнітні поля та звичайну матерію. Темна матерія не взаємодіє зі світлом, але її можна зафіксувати через гравітаційний вплив, який вона чинить на нього. Так вчені використали кремнієвий монокристал як порожнину для резонуючого світла. Резонансна частота світла в порожнині залежить від її довжини, яку можна простежити до радіуса Бора. Ця величина пов'язана зі значеннями постійної тонкої структури і маси електрона, а отже зміни резонансної частоти вкажуть на флуктуації цих констант, викликані темною матерією.

Чим це допоможе у пошуку темної матерії?

Дослідники зібрали дані про співвідношення частот стронцію і резонатора протягом 12 днів, в результаті чого отримали набір даних довжиною 272 години. Завдяки йому

JILA встановила нові межі для «нормальних» коливань, за межами яких будь-які незвичайні сигнали можуть бути пов'язані з темною матерією, бо достеменно невідомо, на якому рівні чутливості можна побачити темну матерію в лабораторних умовах. У своїй роботі фізики обмежили енергію зв'язку надлегкої темної матерії з видимою діапазоном ¹⁰⁻¹⁶⁻¹⁰⁻²¹ електронвольт. За їхніми словами, подібні експерименти, встановлюючи все більш точні межі вимірювань, дають змогу перевіряти різні теоретичні моделі, які використовують для вивчення природи темної матерії. Цей метод являє собою новий спосіб вимірювання фундаментальних констант з використанням оптичних стандартів частоти, а згодом його можна буде масштабувати у глобальну мережу приладів, які збиратимуть дані для моделювання фізичних явищ за межами стандартної моделі.

Раніше ми вже писали, як вчені визначили найбільш імовірну кількість темної матерії, що міститься у Всесвіті, за масою скупчень галактик та вперше застосували ефект слабкого гравітаційного лінзування, щоб зафіксувати темну матерію у 18 галактиках.

радіуса Бора
фізична стала, що дорівнює відстані між ядром і електроном в атомі водню