Toriumkellot tarkentavat pimeän aineen etsintää

Kello tarvitsee vakaan vertailutaajuuden. Sen voi tarjota heiluri, kvartsikiteen värähtely tai parhaassa atomikellossa valon taajuus, jonka atomi absorboi. Wienissä ja Pekingissä toimivat ryhmät ovat nyt rakentaneet kellot, joiden vertailukohtana on torium-229:n ydin (Wien, Nature, Peking, Nature). Niiden käynti on epävakaampaa kuin parhaiden atomikellojen. Wienin laite on silti jo tehnyt yhdestä pimeän aineen etsintätavasta 100–1 000 kertaa herkemmän kuin aiemmat atomikellokokeet (Nature).

Ytimen kuuntelua

Atomikello toimii vähän kuin muusikko, joka virittää soittimensa vertailuäänen mukaan. Laseria säädetään, kunnes sen taajuus vastaa atomien elektronien absorboiman valon taajuutta. Säätöjärjestelmä pitää laserin tällä taajuudella, ja sen säännölliset värähtelyt muodostavat kellon tahdin.

Ytimen virittämiseen tarvitaan tavallisesti enemmän energiaa kuin laser voi tuottaa, joten ytimiä ei ole voitu käyttää vertailuäänenä. Torium-229 tekee poikkeuksen: sen ytimessä tapahtuvan siirtymän energia on noin 8,4 elektronivolttia. Ultraviolettivalo yltää siihen (Physical Review Letters).

Aiemmissa kokeissa tämä taajuus saatiin esiin, mutta sen mittaaminen kesti. Virittyneiden ytimien hehkumista odotettiin noin kymmenen minuuttia (TU Wien). Uudet kellot mittaavat sen sijaan absorptiota eli sitä, kuinka paljon kiteeseen upotetut toriumytimet absorboivat ultraviolettivaloa. Signaali saadaan heti, joten ytimet voivat korjata laserin taajuutta kellon käydessä. Tätä edistysaskelta käsittelimme tällä viikolla (To Brief).

Wienin kello kävi yli 24 tuntia ilman säätöä (TU Wien). Pekingissä ultraviolettivalo tuotettiin toisella tekniikalla. Toimiva ydinreferenssi ei siis riipu yhden laboratorion laitteistosta.

Heilahtelun etsintä vuorokauden ajan

Wienissä ydinkelloa käytettiin rinnakkain ytterbiumioniatomikellon kanssa BEV:ssä, Itävallan metrologiavirastossa. Jos ympäristö vaikuttaa molempiin samalla tavalla, kellojen käyntitaajuuksien suhde pysyy vakiona. Suhteen ajautuminen tai heilahtelu kertoisi, että jokin vaikuttaa ytimiin ja elektroneihin eri tavoin.

Torium on poikkeuksellisen herkkä tällaisille eroille. Sen pieni siirtymäenergia jää jäljelle, kun paljon suuremmat energiavaikutukset lähes kumoavat toisensa. Tilanne muistuttaa pankkisaldoa, joka saadaan vähentämällä kaksi valtavaa lukua: pieni muutos jommassakummassa muuttaa erotusta paljon. Teorian mukaan luonnonvakioiden vähäinenkin muutos siirtäisi siksi ydintaajuutta paljon enemmän kuin elektronien taajuutta.

Joissakin pimeän aineen malleissa avaruuden täyttää näkymätön kenttä, joka värähtelee hitaasti ja muuttaa luonnonvakioita edestakaisin. Jos kenttä on olemassa, kellojen käyntitaajuuksien suhteen pitäisi värähdellä samaan tahtiin.

Noin 23 tunnin mittausaineistossa heilahtelua ei erottunut kohinasta (arXiv). Nollatulos rajaa pois pimeän aineen malleja, joiden olisi pitänyt tuottaa havaittava signaali. Herkkyyden suuri parannus koskee malleja, joissa pimeä aine vaikuttaa vahvaan vuorovaikutukseen, joka pitää atomiytimet koossa. Parannus ulottuu vain osaan mahdollisista massoista. Valoon liittyvien vuorovaikutusten osalta uudet rajat ovat yhtä tiukat kuin aiemmissa atomikellomittauksissa. Rajojen tiukkuus riippuu ydinteorian arvioista toriumin herkkyydestä (Nature-arvioinnin aineisto).

Miksi ydinkellojen käynti vielä vaihtelee

Molempien ydinkellojen käynti vaihtelee selvästi enemmän kuin parhaiden atomikellojen, kuten NISTin alumiini-ionikellon (NIST). Yksi syy on heikko absorptiosignaali: taajuuden keskikohta täytyy päätellä hyvin pienistä muutoksista havaittavassa valossa.

Kide aiheuttaa toisen ongelman. Toriumytimet ovat hieman erilaisissa ympäristöissä, joten niiden taajuudet eivät ole kaikkialla samoja. Wienin kokeessa viiva siirtyi jopa noin 1,7 kilohertsiä sen mukaan, mistä kohdasta lasersäde kulki kiteen läpi (Nature).

Viivanleveys kertoo, miten tarkasti siirtymän taajuus voidaan määrittää: kapea viiva vastaa puhdasta ääntä, leveä sumeaa sointua, johon laser on vaikeampi lukita. JILA:n ja TU Wienin tutkijoiden vertaisarvioimattomassa esijulkaisussa yhden siirtymän viiva leveni 28,6 kilohertsistä 94,8 kilohertsiin kolmen, toriumiltaan yhä pitoisemman kiteen sarjassa (arXiv). PTB:n Ekkehard Peik on verrannut kymmenien kilohertsien levyisiä viivoja ytimen luonnolliseen viivanleveyteen, jonka odotetaan jäävän selvästi alle yhteen hertsiin (Physics World).

Ensimmäiset ydinkellot käyvät vielä epätarkasti, mutta niitä voi jo käyttää tutkimuslaitteina. Lähes vuorokauden mittainen vertailu ytimen ja atomien elektronien välillä tiukensi osaa rajoista, jotka koskevat pimeän aineen vaikutusta vahvaan vuorovaikutukseen. Heikot signaalit ja kideympäristö kuitenkin estävät kelloja vielä hyödyntämästä toriumin tarjoamaa tarkkuutta.