Il torio affina la caccia alla materia oscura

Ogni orologio ha bisogno di un riferimento stabile: un pendolo, un cristallo di quarzo che vibra o, nei migliori orologi atomici, la frequenza esatta della luce assorbita da un atomo. Due gruppi, a Vienna e a Pechino, hanno ora realizzato orologi che usano come riferimento il nucleo del torio-229 (Vienna, Nature, Beijing, Nature). Sono meno stabili nel misurare il tempo dei migliori orologi atomici, ma il dispositivo di Vienna ha già reso una ricerca di materia oscura da 100 a 1.000 volte più sensibile rispetto ai precedenti esperimenti con orologi atomici (Nature).

Ascoltare un nucleo

Un orologio atomico funziona un po’ come un musicista che accorda lo strumento su una nota di riferimento: un laser viene regolato finché la sua frequenza coincide con quella della luce assorbita dagli elettroni dell’atomo, mentre un sistema di retroazione la mantiene stabile. Le oscillazioni regolari del laser diventano così i battiti dell’orologio.

Di norma i nuclei richiedono energie molto superiori a quelle che un laser può fornire, perciò finora non erano utilizzabili come riferimento. Il torio-229 fa eccezione: il suo nucleo presenta una transizione di circa 8,4 elettronvolt, un’energia abbastanza bassa da poter essere raggiunta dalla luce ultravioletta (Physical Review Letters).

Gli esperimenti precedenti avevano individuato questa nota, ma la leggevano lentamente, aspettando circa dieci minuti che i nuclei eccitati brillassero (TU Wien). I nuovi orologi misurano invece l’assorbimento: rilevano quanta luce ultravioletta assorbono i nuclei di torio inseriti in un cristallo. Il segnale arriva subito e permette ai nuclei di correggere continuamente il laser mentre l’orologio funziona, un passaggio decisivo di cui abbiamo parlato questa settimana (To Brief).

L’orologio di Vienna ha funzionato per oltre 24 ore senza interventi (TU Wien). Pechino ha prodotto la luce ultravioletta con una tecnica diversa, mostrando che un riferimento nucleare funzionante non dipende dalle attrezzature di un solo laboratorio.

Una giornata alla ricerca di un’oscillazione

A Vienna l’orologio nucleare è stato fatto funzionare insieme a un orologio atomico a ioni di itterbio presso il BEV, l’ufficio metrologico austriaco. Se i due orologi reagiscono nello stesso modo a tutto ciò che li circonda, il rapporto tra le loro frequenze resta costante; se invece il rapporto cambia o oscilla, significa che qualcosa influenza diversamente i nuclei e gli elettroni.

Il torio è insolitamente sensibile a queste differenze. Il suo piccolo salto energetico è ciò che resta dopo che contributi molto più grandi si sono quasi annullati, come il saldo di un conto ottenuto sottraendo due cifre enormi: basta modificare di poco una delle due perché il risultato cambi molto. La teoria prevede quindi che una variazione minima delle costanti fondamentali sposti la frequenza nucleare assai più di quella elettronica.

Alcuni modelli di materia oscura descrivono un campo invisibile che riempie lo spazio e oscilla lentamente, facendo variare avanti e indietro quelle costanti. Se esistesse, il rapporto tra i due orologi dovrebbe oscillare al suo ritmo.

In circa 23 ore di dati, nessuna oscillazione è emersa dal rumore di fondo (arXiv). Anche un risultato nullo è utile, perché esclude le forme di materia oscura che avrebbero prodotto un segnale visibile. Il grande miglioramento riguarda la materia oscura che interagirebbe attraverso la forza forte, quella che tiene insieme i nuclei atomici, e soltanto una parte dell’intervallo delle masse possibili. Per le interazioni con la luce, i nuovi limiti si limitano a eguagliare quelli dei precedenti orologi atomici; la loro precisione dipende inoltre dalle stime teoriche della sensibilità del torio (Nature peer-review file).

Perché i nuovi orologi sono ancora instabili

Entrambi gli orologi nucleari sono molto meno stabili dei migliori orologi atomici, come quello a ioni di alluminio del NIST (NIST). Una parte del problema è che l’assorbimento è debole: per trovare il centro della nota, gli orologi devono quindi basarsi su variazioni minime della luce rilevata.

Il cristallo crea un secondo problema. I nuclei di torio si trovano in ambienti leggermente diversi e perciò non risuonano tutti esattamente alla stessa frequenza. A Vienna la riga si è spostata fino a circa 1,7 kilohertz a seconda del punto in cui il laser attraversava il cristallo (Nature).

I fisici chiamano larghezza di riga la nitidezza della nota: una riga stretta è un tono puro, mentre una larga somiglia a un accordo sfocato, più difficile da agganciare. In un preprint dei ricercatori di JILA e TU Wien, non ancora sottoposto a revisione paritaria, una transizione si è allargata da 28,6 a 94,8 kilohertz passando per tre cristalli con concentrazioni crescenti di torio (arXiv). Ekkehard Peik, del PTB, ha messo a confronto righe larghe decine di kilohertz con una larghezza nucleare naturale prevista ben al di sotto di un hertz (Physics World).

I primi orologi nucleari misurano il tempo in modo ancora approssimativo, ma sono già strumenti di ricerca operativi. Una sola giornata di confronto tra un nucleo e gli elettroni di un atomo ha ristretto alcuni limiti su come la materia oscura potrebbe agire sulla forza forte; i segnali deboli e i cristalli che ospitano i nuclei, tuttavia, tengono ancora la loro precisione lontana dalla nota nitida che il torio può offrire.