Tóriumórákkal érzékenyebben keresik a sötét anyagot

Minden órának kell egy stabil viszonyítási pont: lehet ez egy inga lengése, egy kvarckristály rezgése vagy a legjobb atomórákban az a pontos fényfrekvencia, amelyet egy atom elnyel. Bécsi és pekingi kutatócsoportok most a tórium-229 atommagját használó órákat építettek (Bécs, Nature, Peking, Nature). Ezek kevésbé pontosan járnak, mint a legjobb atomórák, a bécsi berendezéssel mégis 100–1000-szer érzékenyebbé tették a sötétanyag-keresés egyik típusát a korábbi atomórás kísérletekhez képest (Nature).

Egy atommag jelére hangolva

Az atomóra működése ahhoz hasonlít, ahogy egy zenész egy alaphanghoz hangolja a hangszerét. A lézer frekvenciáját addig állítják, amíg meg nem egyezik azzal a fényfrekvenciával, amelyet az atom elektronjai elnyelnek. Egy visszacsatoló rendszer ezután ezen az értéken tartja a lézert. A lézer stabil rezgései adják az óra „ütéseit”.

Az atommagoknak általában sokkal több energiára van szükségük, mint amennyit egy lézer biztosítani tud, ezért eddig nem lehetett őket viszonyítási pontként használni. A tórium-229 kivétel: atommagjának egyik átmenete körülbelül 8,4 elektronvolt energiájú, így azt már az ultraibolya fény is eléri (Physical Review Letters).

A korábbi kísérletek már megtalálták ezt a jelet, de lassan tudták leolvasni: nagyjából tíz percet kellett várniuk, hogy a gerjesztett atommagok fényt bocsássanak ki (TU Wien). Az új órák ehelyett az elnyelést mérik: azt követik, mennyi ultraibolya fényt nyelnek el a kristályba ágyazott tóriumatommagok. Ez a jel gyorsan megjelenik, így az atommagok működés közben is folyamatosan korrigálhatják a lézert. Ez az a mérföldkő, amelyről a héten már írtunk (To Brief).

A bécsi óra több mint 24 órán át működött beavatkozás nélkül (TU Wien). Pekingben más módszerrel állították elő az ultraibolya fényt, vagyis a működő atommagóra nem egyetlen laboratórium berendezéseitől függ.

Egynapos keresés az óra járásának ingadozására

Bécsben ezután a nukleáris órát az osztrák metrológiai hivatal, a BEV egyik itterbiumion-atomórájával együtt működtették. Ha a környezet minden hatása ugyanúgy érinti a két órát, járásuk aránya állandó marad. Ha ez az arány eltolódik vagy ingadozik, az arra utalna, hogy valami eltérően hat az atommagokra és az elektronokra.

A tórium különösen érzékeny az ilyen különbségekre. Kis energiakülönbsége két sokkal nagyobb érték közel teljes kioltásából adódik, ahogy egy bankszámla egyenlegét is két hatalmas összeg különbsége adja. Ha bármelyik érték kissé változik, az egyenleg nagyot mozdulhat. Az elmélet ezért azt jósolja, hogy a természet állandóinak apró változása sokkal jobban eltolná a nukleáris frekvenciát, mint az elektronokét.

Egyes sötétanyag-modellek szerint a teret egy láthatatlan, lassan rezgő mező tölti ki, amely oda-vissza változtatja ezeket az állandókat. Ha létezik ilyen mező, a két óra járásának aránya vele együtt ingadozna.

A nagyjából 23 órányi mérésben nem találtak a zajszintet meghaladó ingadozást (arXiv). A negatív eredmény is ad információt: kizárja azokat a sötétanyag-modelleket, amelyek mérhető jelet okoztak volna. Az érzékenység jelentős javulása azokra a sötétanyag-modellekre vonatkozik, amelyek az atommagokat összetartó erős kölcsönhatáson keresztül hatnának, és csak a lehetséges tömegek egy részére. A fényen keresztül ható modelleknél az új korlátok csupán elérik a korábbi atomórás mérések eredményét; a korlátok szigorúsága attól is függ, hogyan becsülik a tórium érzékenységét a magfizikai elméletek (Nature bírálati anyaga).

Miért ingadozik még az új óra járása?

Mindkét atommagóra sokkal pontatlanabbul jár a legjobb atomóráknál, például a NIST alumíniumion-órájánál (NIST). Az egyik gond, hogy az elnyelési jel gyenge, ezért az óráknak az érzékelt fény apró változásaiból kell megtalálniuk a rezonancia középpontját.

A kristály további nehézséget okoz. A tóriumatommagok kissé eltérő környezetben vannak, ezért nem pontosan ugyanazon a frekvencián rezonálnak. Bécsben a kutatók azt látták, hogy a jel vonala akár körülbelül 1,7 kilohertzzel is eltolódik attól függően, hol halad át a lézer a kristályon (Nature).

A fizikusok a jel élességét vonalszélességnek nevezik: a keskeny vonal tiszta hangnak felel meg, a széles pedig elmosódó akkordnak, amelyre nehezebb ráhangolni az órát. A JILA és a TU Wien kutatóinak egyelőre szakmai bírálat előtt álló tanulmányában az egyik átmenet vonalszélessége 28,6-ról 94,8 kilohertzre nőtt három, egyre nagyobb tóriumkoncentrációjú kristályban (arXiv). Ekkehard Peik, a PTB kutatója a több tíz kilohertzes vonalakat a tórium természetes atommag-vonalszélességével állította szembe, amely várhatóan jóval 1 hertz alatt marad (Physics World).

Az első atommagórák még pontatlan időmérők, de már most használható kutatási eszközök. Egyetlen napnyi mérés, amelyben egy atommag járását az atom elektronjainak járásával vetették össze, szigorított néhány korláton arra vonatkozóan, hogyan hathat a sötétanyag az erős kölcsönhatásra. A gyenge jelek és a magokat befogadó kristályok azonban egyelőre messze tartják az órák pontosságát attól, amit a tórium keskeny rezonanciája lehetővé tehet.