Thoriové hodiny zpřesňují hledání temné hmoty

Přesné hodiny potřebují stabilní referenci: může jí být kyvadlo, kmitající křemenný krystal nebo u nejlepších atomových hodin přesná frekvence světla, které atom pohlcuje. Týmy ve Vídni a Pekingu nyní sestrojily hodiny, jejichž referencí je místo toho jádro thoria-229 (Vídeň, Nature, Peking, Nature). Čas zatím měří méně stabilně než nejlepší atomové hodiny. Vídeňský přístroj už ale zvýšil citlivost jednoho typu hledání temné hmoty 100 až 1 000krát oproti dřívějším pokusům s atomovými hodinami (Nature).

Naslouchání jádru

Atomové hodiny fungují podobně jako hudebník, který ladí nástroj podle referenčního tónu. Laser se nastaví tak, aby jeho frekvence odpovídala světlu, jež pohlcují elektrony v atomu. Zpětná vazba pak laser na této frekvenci udržuje a jeho pravidelné kmity tvoří tiky hodin.

Jádra atomů běžně potřebují mnohem více energie, než dokáže dodat jakýkoli laser, a jako zdroj časové reference proto zůstávala mimo dosah. Thorium-229 je výjimkou. Jeho jádro má přechod s energií přibližně 8,4 elektronvoltu, na kterou dosáhne ultrafialové světlo (Physical Review Letters).

Dřívější pokusy tento signál zachytily, ale jeho měření trvalo dlouho: vědci čekali zhruba deset minut, než excitovaná jádra začala zářit (TU Wien). Nové hodiny místo toho měří pohlcování světla. Sledují, kolik ultrafialového záření pohltí jádra thoria uložená v krystalu. Signál přichází rychle, takže jádra mohou průběžně korigovat laser i za chodu hodin. Právě tohoto milníku jsme si všímali tento týden (To Brief).

Vídeňské hodiny běžely déle než 24 hodin bez zásahu (TU Wien). Tým v Pekingu vytvořil ultrafialové světlo jinou technikou. Funkční jaderná reference tak nezávisí na vybavení jediné laboratoře.

Celodenní hledání kolísání

Vídeňský tým pak porovnával jaderné hodiny s atomovými hodinami založenými na iontu ytterbia v rakouském metrologickém úřadu BEV. Pokud oboje hodiny reagují na vše kolem sebe stejně, poměr jejich rychlostí zůstává neměnný. Jeho posun nebo kolísání by ukazovaly, že něco působí na jádra jinak než na elektrony.

Thorium je na takové rozdíly neobvykle citlivé. Jeho malý energetický rozdíl zůstává po téměř úplném vyrušení mnohem větších příspěvků. Připomíná to zůstatek na účtu vypočtený odečtením dvou obrovských částek: nepatrná změna kterékoli z nich může výsledkem výrazně pohnout. Teorie proto předpovídá, že nepatrná změna přírodních konstant posune frekvenci jaderného přechodu mnohem víc než frekvenci elektronového.

Některé modely temné hmoty předpokládají neviditelné pole, které vyplňuje prostor a pomalu kmitá. Tím by střídavě měnilo hodnoty přírodních konstant. Pokud takové pole existuje, měl by s ním v čase kolísat i poměr tikání obou hodin.

Zhruba za 23 hodin měření se neobjevilo žádné kolísání, které by vystoupilo nad úroveň šumu (arXiv). I nulový výsledek přináší poznatek: vylučuje takové podoby temné hmoty, které by vyvolaly viditelný signál. Výrazné zlepšení se týká temné hmoty, která by působila prostřednictvím silné interakce, tedy síly držící pohromadě atomová jádra, a jen části možného rozmezí hmotností. U interakcí se světlem nové meze pouze dosahují úrovně dřívějších atomových hodin. Jejich přísnost navíc závisí na odhadech jaderných fyziků, jak citlivé je thorium (recenzní materiály k článku v Nature).

Proč se nové hodiny stále rozcházejí

Oboje jaderné hodiny se odchylují mnohem více než nejlepší atomové hodiny, například hodiny založené na iontu hliníku v NIST (NIST). Jedním z problémů je slabý signál pohlcování. Hodiny proto musí střed frekvence určit podle drobných změn v zachyceném světle.

Další potíž přináší krystal. Jádra thoria v něm mají mírně odlišné okolní podmínky, a proto nekmitají úplně stejnou frekvencí. Ve Vídni se poloha čáry posouvala až o zhruba 1,7 kilohertzu podle toho, kudy laser krystalem procházel (Nature).

Fyzici popisují ostrost signálu šířkou spektrální čáry: úzká čára odpovídá čistému tónu, zatímco široká připomíná rozmazaný akord, na který se laser hůře zamyká. V dosud nerecenzovaném preprintu vědců z JILA a TU Wien se u jednoho přechodu šířka čáry ve třech krystalech s rostoucí koncentrací thoria zvětšila z 28,6 na 94,8 kilohertzu (arXiv). Ekkehard Peik z PTB srovnal čáry široké desítky kilohertzů s očekávanou přirozenou šířkou jaderné čáry, která má být výrazně menší než jeden hertz (Physics World).

První jaderné hodiny zatím měří čas nepřesně, ale už slouží jako výzkumné přístroje. Jediný den porovnávání jádra s elektrony v atomu zpřísnil některé meze toho, jak může temná hmota působit na silnou interakci. Slabé signály a krystaly, v nichž jsou jádra uložena, však zatím brání tomu, aby hodiny dosáhly přesnosti, kterou thorium může nabídnout.