Arloġġi tat-torju jtejbu t-tfittxija għall-materja skura

Kull arloġġ jeħtieġ referenza stabbli: pendlu jitbandal, kristall tal-kwarz jivvibra jew, fl-aqwa arloġġi atomiċi, il-frekwenza eżatta tad-dawl li jassorbi atomu. Timijiet fi Vjenna u Beijing issa bnew arloġġi li jieħdu r-referenza tagħhom min-nukleu tat-torju-229 (Vjenna, Nature, Beijing, Nature). Dawn iżommu l-ħin b’inqas stabbiltà mill-aqwa arloġġi atomiċi. Madankollu, l-apparat ta’ Vjenna diġà għamel tip wieħed ta’ tfittxija għall-materja skura 100 sa 1,000 darba aktar sensittiva minn esperimenti preċedenti bl-arloġġi atomiċi (Nature).

Nisimgħu nukleu

Arloġġ atomiku jaħdem xi ftit bħal mużiċist li jtejjeb strument skont nota ta’ referenza. Il-frekwenza ta’ lejżer tiġi aġġustata sakemm taqbel mal-frekwenza tad-dawl li jassorbu l-elettroni tal-atomu, u sistema ta’ kontroll b’rispons iżżommha maqfula hemmhekk. L-oxxillazzjonijiet stabbli tal-lejżer isiru t-taħbita tal-arloġġ.

Normalment in-nuklei jeħtieġu ħafna aktar enerġija minn kemm jista’ jipprovdi kwalunkwe lejżer, u għalhekk ma setgħux jintużaw bħala noti ta’ referenza. It-torju-229 hu l-eċċezzjoni. In-nukleu tiegħu għandu tranżizzjoni b’enerġija ta’ madwar 8.4 elettronvolt, baxxa biżżejjed biex jilħaqha d-dawl ultravjola (Physical Review Letters).

Esperimenti preċedenti sabu din in-nota, iżda kienu jdumu biex jaqrawha: stennew madwar għaxar minuti biex in-nuklei eċċitati jarmu dawl (TU Wien). L-arloġġi l-ġodda jkejlu l-assorbiment minflok, billi jsegwu kemm mid-dawl ultravjola jassorbu n-nuklei tat-torju inkorporati fi kristall. Is-sinjal jasal minnufih, u għalhekk in-nuklei jistgħu jibqgħu jikkoreġu l-lejżer waqt li l-arloġġ ikun qed jaħdem. Dan hu l-pass importanti li rrapportajna dwaru din il-ġimgħa (To Brief).

L-arloġġ ta’ Vjenna ħadem għal aktar minn 24 siegħa mingħajr intervent (TU Wien). Beijing ipproduċiet id-dawl ultravjola tagħha b’teknika differenti, u dan juri li referenza nukleari li taħdem ma tiddependix mit-tagħmir ta’ laboratorju wieħed.

Tfittxija ta’ ġurnata sħiħa għal tbandil

Wara dan, Vjenna ħaddmet l-arloġġ nukleari tagħha maġenb arloġġ atomiku b’jone tal-itterbju fil-BEV, l-uffiċċju tal-metroloġija tal-Awstrija. Jekk iż-żewġ arloġġi jirreaġixxu bl-istess mod għal dak kollu ta’ madwarhom, il-proporzjon bejn ir-rati tat-taħbit tagħhom jibqa’ fiss. Proporzjon li jinbidel jew jitbandal ikun ifisser li xi ħaġa qed taffettwa n-nuklei u l-elettroni b’mod differenti.

It-torju hu sensittiv b’mod mhux tas-soltu għal differenzi bħal dawn. Id-distakk żgħir fl-enerġija tiegħu hu dak li jibqa’ wara li kontribuzzjonijiet ferm akbar kważi jannullaw lil xulxin, bħal bilanċ bankarju kkalkulat billi jitnaqqsu żewġ numri enormi. Bidla ċkejkna f’wieħed min-numri tista’ tbiddel il-bilanċ sew. Għalhekk, it-teorija tbassar li bidla żgħira fil-kostanti tan-natura tbiddel il-frekwenza nukleari ferm aktar milli tbiddel waħda elettronika.

Xi mudelli ta’ materja skura jiddeskrivu qasam inviżibbli li jimla l-ispazju u joxxilla bil-mod, u jġiegħel lil dawk il-kostanti jvarjaw ’l hemm u ’l hawn. Jekk dan il-qasam jeżisti, il-proporzjon bejn iż-żewġ arloġġi għandu jitbandal fl-istess ritmu tiegħu.

F’madwar 23 siegħa ta’ dejta, ma deher ebda tbandil lil hinn mil-livell tal-istorbju (arXiv). Riżultat null xorta jgħallem xi ħaġa, għax jeskludi forom ta’ materja skura li kienu jipproduċu sinjal viżibbli. Il-qligħ kbir jgħodd għall-materja skura li tinteraġixxi permezz tal-forza qawwija, li żżomm in-nuklei atomiċi flimkien, u biss f’parti mill-firxa tal-mases possibbli. Għall-interazzjonijiet mad-dawl, il-limiti l-ġodda sempliċement jaqblu ma’ dawk tal-arloġġi atomiċi preċedenti. Kemm huma stretti dawn il-limiti jiddependi mill-istimi tat-teorija nukleari dwar is-sensittività tat-torju (fajl tar-reviżjoni minn esperti ta’ Nature).

Għaliex l-arloġġi l-ġodda għadhom ma jżommux il-ħin b’mod stabbli

Iż-żewġ arloġġi nukleari jvarjaw ferm aktar mill-aqwa arloġġi atomiċi, bħall-arloġġ b’jone tal-aluminju fin-NIST (NIST). Parti mill-problema hi li l-assorbiment hu dgħajjef, u għalhekk l-arloġġi jridu jsibu ċ-ċentru tan-nota minn bidliet żgħar fid-dawl li jindividwaw.

Il-kristall joħloq problema oħra. In-nuklei tat-torju jinsabu f’ambjenti kemxejn differenti, u għalhekk ma jivvibrawx kollha bl-istess nota eżatta. Vjenna osservat li l-linja nbidlet sa madwar 1.7 kilohertz, skont minn fejn għadda l-lejżer mill-kristall (Nature).

Il-fiżiċi jsejħu l-wisa’ tal-linja l-qawwa jew il-purità ta’ dik in-nota: linja dejqa tagħti ton pur, filwaqt li linja wiesgħa tagħti korda mċajpra li jkun aktar diffiċli li taqbad magħha. F’artiklu preliminari minn riċerkaturi tal-JILA u tat-TU Wien, li għadu ma għaddiex minn reviżjoni minn esperti, tranżizzjoni waħda twessgħet minn 28.6 għal 94.8 kilohertz fi tliet kristalli b’konċentrazzjonijiet dejjem akbar ta’ torju (arXiv). Ekkehard Peik tal-PTB qabbel linji wiesgħa għexieren ta’ kilohertz mal-wisa’ naturali ta’ linja nukleari, li mistennija tkun ferm inqas minn hertz wieħed (Physics World).

L-ewwel arloġġi nukleari għadhom ma jżommux il-ħin b’mod preċiż, iżda diġà huma strumenti ta’ riċerka li jaħdmu. Ġurnata waħda li fiha tqabbel nukleu mal-elettroni ta’ atomu ssikkat xi limiti fuq kif il-materja skura tista’ taffettwa l-forza qawwija, filwaqt li s-sinjali dgħajfa u l-kristalli li fihom in-nuklei jżommu l-prestazzjoni tal-arloġġi ferm ’il bogħod min-nota pura li jista’ joffri t-torju.