Thoriumure skærper jagten på mørkt stof

Alle ure har brug for en stabil reference: et pendul, en svingende kvartskrystal eller, i de bedste atomure, den præcise frekvens af det lys, et atom absorberer. Nu har forskerhold i Wien og Beijing bygget ure, der bruger thorium-229-atomkernens svingninger som reference (Wien, Nature, Beijing, Nature). De måler tiden mindre stabilt end de bedste atomure. Alligevel har uret fra Wien allerede gjort én type søgning efter mørkt stof 100 til 1.000 gange mere følsom end tidligere forsøg med atomure (Nature).

Når en atomkerne bliver reference

Et atomur fungerer lidt som en musiker, der stemmer efter en referencetone. En laser finjusteres, indtil dens frekvens svarer til det lys, atomets elektroner absorberer. Et reguleringssystem holder laseren fast på frekvensen, og dens stabile svingninger bliver urets tik.

Atomkerner kræver normalt langt mere energi, end en laser kan levere, og har derfor hidtil været uden for rækkevidde som reference. Thorium-229 er en undtagelse. Dets kerne har en overgang på omkring 8,4 elektronvolt, som ultraviolet lys kan nå (Physical Review Letters).

Tidligere forsøg fandt tonen, men aflæste den langsomt. Forskerne måtte vente omkring ti minutter på, at de exciterede kerner udsendte lys (TU Wien). De nye ure måler i stedet absorption: De registrerer, hvor meget ultraviolet lys thoriumkernerne, som er indlejret i en krystal, opsuger. Det signal kommer hurtigt, så kernerne løbende kan korrigere laseren, mens uret går. Det er det teknologiske fremskridt, vi omtalte i denne uge (To Brief).

Uret i Wien kørte i mere end 24 timer uden indgreb (TU Wien). Forskerne i Beijing frembragte det ultraviolette lys med en anden teknik. En fungerende kerne-reference afhænger dermed ikke af udstyr i ét bestemt laboratorium.

Et døgns jagt på en svingning

Forskerne i Wien kørte derefter kerneuret parallelt med et atomur baseret på ytterbiumioner hos BEV, Østrigs metrologiinstitut. Hvis begge ure reagerer ens på alt omkring dem, forbliver forholdet mellem deres taktfrekvenser det samme. Hvis forholdet driver eller svinger, påvirker noget kerner og elektroner forskelligt.

Thorium er usædvanligt følsomt over for den slags forskelle. Den lille energiforskel i kernen er tilbage, efter at langt større bidrag næsten har ophævet hinanden, lidt som en banksaldo, der fremkommer ved at trække to enorme beløb fra hinanden. En lille ændring i et af beløbene får saldoen til at rykke meget. Derfor forudsiger teorien, at selv en lille ændring i naturens konstanter vil forskyde kernefrekvensen langt mere end en elektronfrekvens.

Nogle teorier om mørkt stof beskriver et usynligt felt, der fylder rummet og svinger langsomt. Feltet skulle skubbe naturens konstanter frem og tilbage. Hvis det findes, bør forholdet mellem de to ure svinge i takt med feltet.

I løbet af omkring 23 timers målinger kunne forskerne ikke skelne nogen svingning fra støjen (arXiv). Et nulresultat fortæller stadig noget, fordi det udelukker varianter af mørkt stof, som ville have givet et synligt signal. Den store følsomhedsgevinst gælder mørkt stof, der påvirker den stærke kernekraft, som holder atomkerner sammen, og kun inden for en del af det mulige masseområde. For vekselvirkninger med lys svarer de nye grænser blot til dem, atomure allerede har sat. Hvor snævre grænserne er, afhænger desuden af beregninger i kerneteorien af thoriums følsomhed (Nature’s fagfællebedømmelse).

Derfor driver de nye ure stadig

Begge kerneure driver langt mere end de bedste atomure, for eksempel et ur baseret på aluminiumioner hos NIST (NIST). En del af problemet er, at absorptionssignalet er svagt. Derfor må urene finde tonens centrum ud fra meget små ændringer i det registrerede lys.

Krystallen giver en anden udfordring. Thoriumkernerne befinder sig i lidt forskellige omgivelser og svinger derfor ikke helt med samme frekvens. I Wien så forskerne, at linjen flyttede sig med op til omkring 1,7 kilohertz, afhængigt af hvor i krystallen laseren ramte (Nature).

Fysikere kalder tonens skarphed for dens linjebredde. En smal linje svarer til en ren tone; en bred linje bliver mere som en udtværet akkord, som er vanskeligere at låse laseren til. I et fortryk fra forskere ved JILA og TU Wien, som endnu ikke er fagfællebedømt, voksede bredden af én overgang fra 28,6 til 94,8 kilohertz i tre krystaller med stigende thoriumindhold (arXiv). Ekkehard Peik fra PTB har sammenholdt linjebredder på adskillige titusinde hertz med en forventet naturlig linjebredde for atomkernen på langt under én hertz (Physics World).

De første kerneure er upræcise tidsmålere, men de fungerer allerede som forskningsinstrumenter. Et døgns sammenligning af en atomkerne med atomets elektroner har strammet nogle af grænserne for, hvor meget mørkt stof kan påvirke den stærke kernekraft. De svage signaler og krystallerne, som holder kernerne på plads, betyder dog, at urene stadig er langt fra den rene tone, thorium kan levere.