Τα ρολόγια θορίου οξύνουν την αναζήτηση σκοτεινής ύλης

Κάθε ρολόι χρειάζεται μια σταθερή αναφορά: ένα εκκρεμές, έναν κρύσταλλο χαλαζία που πάλλεται ή, στα ακριβέστερα ατομικά ρολόγια, τη συχνότητα του φωτός που απορροφά ένα άτομο. Ομάδες στη Βιέννη και το Πεκίνο κατασκεύασαν τώρα ρολόγια που βασίζονται στον πυρήνα του θορίου-229 (Βιέννη, Nature, Πεκίνο, Nature). Δεν μετρούν τον χρόνο τόσο σταθερά όσο τα κορυφαία ατομικά ρολόγια, όμως η συσκευή της Βιέννης έχει ήδη κάνει 100 έως 1.000 φορές πιο ευαίσθητη μία συγκεκριμένη αναζήτηση σκοτεινής ύλης σε σύγκριση με παλαιότερα πειράματα με ατομικά ρολόγια (Nature).

Ακούγοντας έναν πυρήνα

Ένα ατομικό ρολόι λειτουργεί λίγο σαν μουσικός που κουρδίζει το όργανό του με βάση μια νότα αναφοράς. Το λέιζερ ρυθμίζεται μέχρι η συχνότητά του να συμπέσει με εκείνη του φωτός που απορροφούν τα ηλεκτρόνια του ατόμου, ενώ ένα σύστημα ανάδρασης τη διατηρεί σταθερή. Οι ταλαντώσεις του λέιζερ γίνονται έτσι οι χτύποι του ρολογιού.

Οι πυρήνες χρειάζονται συνήθως πολύ περισσότερη ενέργεια από όση μπορεί να προσφέρει ένα λέιζερ, γι’ αυτό και δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως συχνότητες αναφοράς. Το θόριο-229 αποτελεί εξαίρεση: ο πυρήνας του έχει μια ενεργειακή μετάπτωση περίπου 8,4 ηλεκτρονιοβόλτ, αρκετά χαμηλή ώστε να μπορεί να διεγερθεί με υπεριώδες φως (Physical Review Letters).

Παλαιότερα πειράματα εντόπισαν αυτή τη συχνότητα, αλλά η μέτρησή της ήταν αργή: οι ερευνητές περίμεναν περίπου δέκα λεπτά μέχρι να εκπέμψουν φως οι διεγερμένοι πυρήνες (TU Wien). Τα νέα ρολόγια μετρούν την απορρόφηση, καταγράφοντας πόσο υπεριώδες φως απορροφούν οι πυρήνες θορίου που βρίσκονται μέσα σε έναν κρύσταλλο. Το σήμα καταγράφεται αμέσως, οπότε οι πυρήνες μπορούν να διορθώνουν συνεχώς τη συχνότητα του λέιζερ όσο λειτουργεί το ρολόι. Αυτό είναι το επίτευγμα που παρουσιάσαμε αυτή την εβδομάδα (To Brief).

Το ρολόι της Βιέννης λειτούργησε πάνω από 24 ώρες χωρίς παρέμβαση (TU Wien). Η ομάδα του Πεκίνου παρήγαγε το υπεριώδες φως με διαφορετική τεχνική, δείχνοντας ότι ένα λειτουργικό πυρηνικό πρότυπο δεν εξαρτάται από τον εξοπλισμό ενός μόνο εργαστηρίου.

Αναζητώντας μια ταλάντωση επί μία ημέρα

Στη συνέχεια, η ομάδα της Βιέννης λειτούργησε το πυρηνικό ρολόι παράλληλα με ένα ατομικό ρολόι ιόντος υττερβίου στο BEV, την αυστριακή υπηρεσία μετρολογίας. Αν τα δύο ρολόγια αντιδρούν με τον ίδιο τρόπο σε όσα συμβαίνουν γύρω τους, ο λόγος των ρυθμών τους παραμένει σταθερός. Αν ο λόγος αυτός μεταβάλλεται ή ταλαντώνεται, τότε κάτι επηρεάζει διαφορετικά τους πυρήνες και τα ηλεκτρόνια.

Το θόριο είναι ασυνήθιστα ευαίσθητο σε τέτοιες διαφορές. Το μικρό ενεργειακό διάκενο του πυρήνα είναι το υπόλοιπο που απομένει όταν σχεδόν αλληλοαναιρούνται πολύ μεγαλύτερες συνεισφορές, όπως ένα τραπεζικό υπόλοιπο που προκύπτει από την αφαίρεση δύο τεράστιων ποσών. Μια μικρή μεταβολή σε έναν από τους δύο αριθμούς αρκεί για να αλλάξει αισθητά το υπόλοιπο. Γι’ αυτό η θεωρία προβλέπει ότι μια ανεπαίσθητη αλλαγή στις σταθερές της φύσης θα επηρέαζε τη συχνότητα του πυρήνα πολύ περισσότερο από εκείνη των ηλεκτρονίων.

Ορισμένα μοντέλα σκοτεινής ύλης περιγράφουν ένα αόρατο πεδίο που γεμίζει τον χώρο και ταλαντώνεται αργά, μεταβάλλοντας περιοδικά αυτές τις σταθερές. Αν υπάρχει, ο λόγος ανάμεσα στους ρυθμούς των δύο ρολογιών θα πρέπει να ταλαντώνεται μαζί του.

Στα δεδομένα περίπου 23 ωρών δεν εντοπίστηκε ταλάντωση μεγαλύτερη από τον θόρυβο (arXiv). Το μηδενικό αποτέλεσμα έχει αξία, επειδή αποκλείει εκδοχές της σκοτεινής ύλης που θα έδιναν ορατό σήμα. Η μεγάλη βελτίωση αφορά μοντέλα στα οποία η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά μέσω της ισχυρής δύναμης, η οποία συγκρατεί τους ατομικούς πυρήνες, και μόνο σε ένα μέρος του πιθανού εύρους μαζών. Για αλληλεπιδράσεις με το φως, τα νέα όρια απλώς φτάνουν εκείνα των παλαιότερων ατομικών ρολογιών, ενώ η ακρίβειά τους εξαρτάται από θεωρητικές εκτιμήσεις της πυρηνικής φυσικής για την ευαισθησία του θορίου (αρχείο αξιολόγησης από ομότιμους του Nature).

Γιατί τα νέα ρολόγια εξακολουθούν να χάνουν τον ρυθμό τους

Και τα δύο πυρηνικά ρολόγια παρουσιάζουν πολύ μεγαλύτερη απόκλιση από τα καλύτερα ατομικά ρολόγια, όπως εκείνο ιόντος αλουμινίου στο NIST (NIST). Ένα μέρος του προβλήματος είναι ότι η απορρόφηση είναι ασθενής, οπότε τα ρολόγια πρέπει να εντοπίσουν το κέντρο της συχνότητας αναφοράς μετρώντας πολύ μικρές μεταβολές στο φως που ανιχνεύουν.

Ο κρύσταλλος δημιουργεί και δεύτερο πρόβλημα. Οι πυρήνες θορίου βρίσκονται σε ελαφρώς διαφορετικά περιβάλλοντα και, έτσι, δεν έχουν όλοι ακριβώς την ίδια συχνότητα. Στη Βιέννη, η γραμμή μετατοπίστηκε έως περίπου 1,7 κιλοχέρτζ, ανάλογα με το σημείο του κρυστάλλου από το οποίο περνούσε το λέιζερ (Nature).

Οι φυσικοί ονομάζουν εύρος γραμμής το πόσο στενή είναι αυτή η συχνότητα: μια στενή γραμμή μοιάζει με καθαρό τόνο, ενώ μια πλατιά θυμίζει συγχορδία που έχει θολώσει και είναι δυσκολότερο να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση του ρολογιού. Σε προδημοσίευση ερευνητών του JILA και του TU Wien, η οποία δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομότιμους, το εύρος μιας μετάπτωσης αυξήθηκε από 28,6 σε 94,8 κιλοχέρτζ σε τρεις κρυστάλλους με διαδοχικά υψηλότερη συγκέντρωση θορίου (arXiv). Ο Έκχαρντ Πάικ της PTB έχει αντιπαραβάλει γραμμές με εύρος δεκάδων κιλοχέρτζ με το φυσικό εύρος γραμμής του πυρήνα, που αναμένεται να είναι πολύ μικρότερο από ένα χερτζ (Physics World).

Τα πρώτα πυρηνικά ρολόγια δεν μετρούν ακόμη τον χρόνο με μεγάλη ακρίβεια, αλλά ήδη λειτουργούν ως ερευνητικά όργανα. Μία ημέρα σύγκρισης ενός πυρήνα με τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου αρκούσε για να περιοριστούν ορισμένα από τα περιθώρια σχετικά με το πώς θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη να αλληλεπιδρά με την ισχυρή δύναμη. Τα ασθενή σήματα και οι κρύσταλλοι που φιλοξενούν τους πυρήνες, ωστόσο, εξακολουθούν να κρατούν τα ρολόγια μακριά από την καθαρή συχνότητα που μπορεί να προσφέρει το θόριο.