Ториевите часовници подобряват търсенето на тъмна материя

Всеки часовник се нуждае от постоянна отправна честота: махало, трептенията на кварцов кристал или, при най-добрите атомни часовници, точната честота на светлината, която атомът поглъща. Екипи във Виена и Пекин вече създадоха часовници, които използват за такава отправна точка ядрото на торий-229 (Виена, Nature, Пекин, Nature). Те отмерват времето по-неточно от водещите атомни часовници. Устройството във Виена обаче вече е направило един вид търсене на тъмна материя от 100 до 1 000 пъти по-чувствително спрямо предишни опити с атомни часовници (Nature).

Вслушване в атомно ядро

Атомният часовник работи малко като музикант, който настройва инструмента си по еталонен тон. Лазерът се настройва, докато честотата му съвпадне с тази на светлината, поглъщана от електроните на атома. Система за обратна връзка поддържа съвпадението, а равномерните трептения на лазера се превръщат в тактовете на часовника.

Ядрата обикновено изискват много повече енергия, отколкото може да достави лазер, затова досега не са можели да служат за такава отправна честота. Торий-229 е изключение: ядрото му има преход с енергия около 8,4 електронволта, достатъчно ниска, за да бъде достигнат със светлина в ултравиолетовия диапазон (Physical Review Letters).

Предишни експерименти откриха този преход, но го регистрираха бавно: изчакваха около десет минути възбудените ядра да излъчат светлина (TU Wien). Новите часовници измерват поглъщането и следят колко ултравиолетова светлина поемат ядрата на торий, вградени в кристал. Сигналът идва веднага и позволява на ядрата непрекъснато да коригират лазера, докато часовникът работи. Това е пробивът, за който писахме тази седмица (To Brief).

Според TU Wien часовникът във Виена е работил повече от 24 часа без намеса. В Пекин ултравиолетовата светлина е получена по друг метод, което показва, че ядреният еталон може да работи и с различно лабораторно оборудване.

Денонощно търсене на колебание

След това екипът във Виена пуснал ядрения часовник паралелно с атомен часовник с йон на итербий в BEV, австрийската служба по метрология. Ако двата часовника реагират еднакво на всичко около тях, съотношението между честотите им остава постоянно. Ако то се измества или колебае, значи нещо въздейства различно на ядрата и електроните.

Торий е необичайно чувствителен към такива разлики. Малкият му енергиен преход е остатъкът от почти взаимното унищожаване на много по-големи величини — като салдо, получено чрез изваждане на две огромни числа. Малка промяна в някое от тях може силно да промени остатъка. Затова теорията предвижда, че дори минимална промяна в природните константи би изместила ядрената честота много повече от електронната.

Някои модели на тъмната материя описват невидимо поле, което изпълва пространството и бавно осцилира, като кара тези константи да се променят напред-назад. Ако такова поле съществува, съотношението между честотите на двата часовника би трябвало също да се колебае.

В данните от около 23 часа не се откри колебание над нивото на шума (arXiv). Липсата на сигнал също е резултат: тя изключва варианти на тъмната материя, които биха произвели видим ефект. Подобрението се отнася до тъмна материя, която взаимодейства чрез силното взаимодействие — силата, която държи атомните ядра заедно — и само до част от възможния диапазон на масите. При взаимодействие със светлина новите ограничения само достигат нивото на по-ранните опити с атомни часовници. Колко строги са те зависи от оценките на ядрената теория за чувствителността на тория (документите по рецензията в Nature).

Защо новите часовници още се отклоняват

И двата ядрени часовника показват много по-големи отклонения от най-добрите атомни часовници, например този с алуминиев йон в NIST (NIST). Една причина е слабият сигнал от поглъщането: часовниците трябва да определят центъра на прехода по съвсем малки промени в засечената светлина.

Кристалът създава и втори проблем. Ядрата на торий са в малко различна среда и затова не излъчват съвсем една и съща честота. Във Виена линията се е измествала с до около 1,7 килохерца според мястото, през което лазерът преминава през кристала (Nature).

Физиците наричат ширина на спектралната линия нейната острота: тясната линия е чист тон, а широката прилича на размазан акорд, към който часовникът се настройва по-трудно. В предварителна публикация, която още не е минала рецензиране, изследователи от JILA и TU Wien съобщават, че един преход се е разширил от 28,6 до 94,8 килохерца в три кристала с нарастваща концентрация на торий (arXiv). Екехард Пайк от PTB съпоставя линии с ширина от десетки килохерци с очакваната естествена ширина на ядрената линия — доста под един херц (Physics World).

Първите ядрени часовници още отмерват времето неточно, но вече служат като изследователски инструменти. Само за ден сравненията между ядро и електроните на атома затегнаха някои ограничения върху това как тъмната материя може да въздейства на силното взаимодействие. Слабите сигнали и кристалите, в които се намират ядрата, засега пречат на часовниците да се доближат до остротата на прехода на торий.