Satovi s torijem zaoštravaju potragu za tamnom tvari

Svakom satu treba stabilna referencija: njihalo koje se njiše, kvarcni kristal koji titra ili, kod najpreciznijih atomskih satova, točna frekvencija svjetlosti koju atom apsorbira. Timovi u Beču i Pekingu izradili su satove koji se ravnaju prema jezgri torija-229 (Beč, Nature, Peking, Nature). Ti satovi mjere vrijeme manje stabilno od vodećih atomskih satova, no bečki je uređaj već učinio jednu vrstu potrage za tamnom tvari 100 do 1.000 puta osjetljivijom nego u ranijim pokusima s atomskim satovima (Nature).

Osluškivanje jezgre

Atomski sat pomalo nalikuje glazbeniku koji ugađa instrument prema referentnom tonu. Laser se namješta dok mu se frekvencija ne podudari sa svjetlošću koju apsorbiraju elektroni u atomu, a povratni sustav održava tu postavku. Pravilna titranja lasera postaju otkucaji sata.

Jezgrama je obično potrebno mnogo više energije nego što je laser može dati, pa dosad nisu mogle poslužiti kao referentni ton. Torij-229 iznimka je: njegova jezgra ima prijelaz od oko 8,4 elektronvolta, dovoljno nizak da do njega dopre ultraljubičasto svjetlo (Physical Review Letters).

Raniji su pokusi otkrili taj signal, ali su ga očitavali sporo: čekali su otprilike deset minuta da pobuđene jezgre zasvijetle (TU Wien). Novi satovi umjesto toga mjere apsorpciju, odnosno koliko ultraljubičastog svjetla upijaju jezgre torija ugrađene u kristal. Taj signal stiže odmah, pa jezgre mogu neprestano ispravljati frekvenciju lasera dok sat radi. Riječ je o prekretnici o kojoj smo pisali ovoga tjedna (To Brief).

Bečki je sat radio više od 24 sata bez intervencije (TU Wien). Peking je ultraljubičasto svjetlo dobio drukčijom tehnikom, što pokazuje da izrada funkcionalnog nuklearnog referentnog izvora ne ovisi o opremi jednog laboratorija.

Cjelodnevna potraga za titranjem

Bečki su nuklearni sat zatim usporedili s atomskim satom koji se temelji na ionu itterbija u BEV-u, austrijskom mjeriteljskom uredu. Ako oba sata jednako reagiraju na sve što se oko njih događa, omjer njihovih frekvencija ostaje stalan. Promjena ili titranje omjera upućivali bi na utjecaj koji različito djeluje na jezgre i elektrone.

Torij je neobično osjetljiv na takve razlike. Njegov malen energetski razmak ostaje nakon što se gotovo ponište mnogo veći doprinosi, poput salda koji dobijemo oduzimanjem dvaju golemih iznosa. Mala promjena bilo kojeg iznosa znatno bi promijenila saldo. Zato teorija predviđa da bi sićušna promjena prirodnih konstanti mnogo više pomaknula frekvenciju jezgre nego frekvenciju elektrona.

Neki modeli tamne tvari opisuju nevidljivo polje koje ispunjava prostor i polako titra, mijenjajući pritom vrijednosti tih konstanti. Kad bi takvo polje postojalo, omjer frekvencija dvaju satova titrao bi u istom ritmu.

Tijekom otprilike 23 sata mjerenja nijedno titranje nije nadmašilo razinu šuma (arXiv). I negativan rezultat nešto govori: isključuje inačice tamne tvari koje bi proizvele vidljiv signal. Velik napredak odnosi se na tamnu tvar koja bi djelovala preko jake nuklearne sile, sile koja drži atomske jezgre na okupu, i to samo u dijelu mogućeg raspona masa. Za djelovanje preko svjetlosti nova ograničenja tek su jednaka onima iz ranijih pokusa s atomskim satovima, a njihova strogoća ovisi o teorijskim procjenama osjetljivosti torija (dokumentacija Natureina stručnog pregleda).

Zašto novi satovi još odstupaju

Oba nuklearna sata odstupaju mnogo više od najboljih atomskih satova, poput sata s ionom aluminija u NIST-u (NIST). Jedan je razlog slaba apsorpcija: satovi moraju odrediti središte spektralne linije na temelju vrlo malih promjena u količini otkrivene svjetlosti.

Kristal stvara i drugi problem. Jezgre torija nalaze se u malo različitim okruženjima pa ne proizvode posve jednak ton. U Beču se linija pomicala i do oko 1,7 kilohertza, ovisno o tome kojim je dijelom kristala prolazio laser (Nature).

Fizičari oštrinu tog signala nazivaju širinom spektralne linije: uska linija odgovara čistom tonu, a široka se razlijeva poput akorda pa ju je teže pratiti. U još nerecenziranom radu na poslužitelju arXiv, istraživači iz JILA-e i TU Wiena izvijestili su da se širina jedne prijelazne linije povećala s 28,6 na 94,8 kilohertza u trima kristalima s postupno većom koncentracijom torija (arXiv). Ekkehard Peik iz PTB-a usporedio je linije široke nekoliko desetaka kilohertza s prirodnom širinom nuklearne linije, za koju se očekuje da je znatno manja od jednog herca (Physics World).

Prvi nuklearni satovi još ne mjere vrijeme precizno poput najboljih atomskih satova, ali već služe kao istraživački instrumenti. Usporedba jezgre i elektrona u atomu tijekom samo jednog dana postrožila je neka ograničenja o tome kako bi tamna tvar mogla utjecati na jaku nuklearnu silu. Slabi signali i kristali u koje su jezgre smještene zasad priječe satovima da iskoriste svu preciznost koju torij može ponuditi.