Tooriumikellad suurendavad tumeaine otsingu tundlikkust

Iga kell vajab püsivat võrdluspunkti: pendli võnkumist, kvartskristalli võnkesagedust või parimate aatomkellade puhul valguse täpset sagedust, mida aatomi elektronid neelavad. Viinis ja Pekingis ehitati kellad, mis võtavad võrdluspunktiks toorium-229 tuuma ülemineku (Viin, Nature, Peking, Nature). Need mõõdavad aega vähem stabiilselt kui parimad aatomkellad. Viini seade on aga juba muutnud ühe tumeaine otsingu varasemate aatomkellakatsetega võrreldes 100 kuni 1000 korda tundlikumaks (Nature).

Tuuma signaali mõõtmine

Aatomkell töötab veidi nagu muusik, kes häälestab pilli võrdlusnoodi järgi. Laserit reguleeritakse, kuni selle sagedus vastab valguse sagedusele, mida aatomi elektronid neelavad. Tagasisidesüsteem hoiab laseri sellel sagedusel. Laseri korrapärased võnkumised annavad kellale tikid.

Tuumad vajavad tavaliselt palju rohkem energiat, kui laser suudab anda, mistõttu pole neid seni saanud võrdlusnoodina kasutada. Toorium-229 on erand. Selle tuuma energiavahe on umbes 8,4 elektronvolti: piisavalt väike, et selle saab ületada ultraviolettvalgusega (Physical Review Letters).

Varasemates katsetes leiti see võrdlusnoot üles, kuid selle mõõtmiseks tuli oodata umbes kümme minutit, kuni ergastatud tuumad valgust kiirgasid (TU Wien). Uued kellad mõõdavad selle asemel neeldumist: need jälgivad, kui palju kristalli paigutatud tooriumituumad ultraviolettvalgust neelavad. Signaal saabub kohe ja tuumad saavad laseri sagedust selle järgi kella töötamise ajal korrigeerida. Sellest olulisest sammust kirjutasime sel nädalal (To Brief).

Viini kell töötas üle 24 tunni ilma sekkumiseta (TU Wien). Pekingis tekitati ultraviolettvalgust teise meetodiga. See näitab, et töötav tuumavõrdlus ei sõltu ühe labori seadmetest.

Päev võnke otsingul

Seejärel töötas Viini tuumakell Austria metroloogiaametis BEV-is koos ütterbiumiooni aatomkellaga. Kui mõlemad kellad reageerivad kõigele enda ümber ühtmoodi, püsib nende tiksude sageduste suhe muutumatuna. Kui suhe triivib või võngub, mõjutab miski tuumi ja elektrone erinevalt.

Toorium on selliste erinevuste suhtes ebatavaliselt tundlik. Selle väike energiavahe jääb alles pärast seda, kui palju suuremad energiamõjud peaaegu tühistavad teineteise, nagu pangakonto jääk, mis leitakse kahe tohutu arvu vahena. Kui kumbagi arvu veidi muuta, muutub ka jääk palju. Seetõttu ennustab teooria, et looduse põhikonstantide väike muutus nihutaks tuuma sagedust palju rohkem kui elektronidega seotud sagedust.

Mõne tumeaine mudeli järgi täidab ruumi nähtamatu väli, mis võngub aeglaselt ja muudab põhikonstante edasi-tagasi. Kui selline väli on olemas, peaks ka kahe kella sageduste suhe sellega samas rütmis võnkuma.

Umbes 23 tunni andmetes ei eristunud ükski võnge mürast (arXiv). Ka tulemuseta katse annab teavet: see välistab tumeaine mudelid, mille puhul oleks pidanud tekkima nähtav signaal. Tundlikkus kasvas palju ainult nende tumeaine mudelite puhul, kus tumeaine mõjutab tugevat vastastikmõju, mis hoiab aatomituumi koos, ja sedagi vaid osas võimalike masside vahemikust. Valgusega seotud vastastikmõjude puhul on uued piirangud vaid sama ranged kui varasematel aatomkelladel. Piirangute tugevus sõltub ka tuumafüüsika hinnangutest tooriumi tundlikkusele (Nature’i retsensioonimaterjal).

Miks uued kellad ikka triivivad

Mõlemad tuumakellad triivivad märksa rohkem kui parimad aatomkellad, näiteks NIST-i alumiiniumioonikell (NIST). Üks põhjus on nõrk neeldumissignaal: kella sageduse keskpunkt tuleb leida valguse hulga väga väikeste muutuste järgi.

Teise probleemi tekitab kristall. Tooriumituumad asuvad veidi erinevas ümbruses, mistõttu ei võngu nad kõik päris samal sagedusel. Viinis nihkus spektrijoon sõltuvalt sellest, millisest kohast laser kristalli läbis, kuni umbes 1,7 kilohertsi (Nature).

Füüsikud nimetavad spektrijoone teravust joone laiuseks. Kitsas joon on puhas toon, lai joon aga laialivalguvam kooskõla, mille külge on raskem kella lukustada. JILA ja TU Wieni teadlaste eelretsenseerimata käsikirjas kasvas ühe ülemineku joon kolme üha suurema tooriumisisaldusega kristalli puhul 28,6 kilohertsilt 94,8 kilohertsini (arXiv). PTB teadlane Ekkehard Peik on kõrvutanud kümnete kilohertside laiuseid jooni tuuma loomuliku joone laiusega, mis peaks jääma tunduvalt alla ühe hertsi (Physics World).

Esimesed tuumakellad mõõdavad aega ebatäpselt, kuid neid saab juba teadustöös kasutada. Üks päev tuuma ja aatomi elektronide võrdlemist karmistas mõningaid piiranguid sellele, kuidas tumeaine võiks tugevat vastastikmõju mõjutada. Nõrgad signaalid ja tuumi ümbritsevad kristallid hoiavad kellade täpsuse siiski kaugel tooriumi pakutava võrdlusnoodi teravusest.