Torio branduolių laikrodžiai tikslina tamsiosios medžiagos paiešką

Kiekvienam laikrodžiui reikia pastovaus atskaitos ritmo: juo gali tapti švytuoklės svyravimai, kvarco kristalo virpesiai arba, tiksliausiuose atominiuose laikrodžiuose, tikslus šviesos dažnis, kurį sugeria atomas. Vienos ir Pekino mokslininkų grupės sukūrė laikrodžius, kurių atskaitos dažnį nustato torio-229 branduolys (Viena, „Nature“, Pekinas, „Nature“). Jie laiką matuoja ne taip stabiliai kaip pažangiausi atominiai laikrodžiai. Vis dėlto Vienos prietaisu atliktas vieno tipo tamsiosios medžiagos paieškos eksperimentas tapo 100–1 000 kartų jautresnis nei ankstesni bandymai su atominiais laikrodžiais („Nature“).

Branduolio signalas

Atominis laikrodis veikia panašiai kaip muzikantas, derinantis instrumentą pagal etaloninį garsą. Lazerio dažnis keičiamas tol, kol sutampa su atomų elektronų sugeriamos šviesos dažniu, o grįžtamojo ryšio sistema jį palaiko. Tolygūs lazerio virpesiai tampa laikrodžio taktais.

Branduoliams sužadinti paprastai reikia gerokai daugiau energijos, nei gali suteikti lazeris, todėl jų nebuvo galima naudoti kaip atskaitos signalo. Toris-229 – išimtis: jo branduolio energijos lygmenų skirtumas siekia apie 8,4 elektronvolto, tad jį gali pasiekti ultravioletinė šviesa („Physical Review Letters“).

Ankstesni eksperimentai šį signalą aptiko, bet jį nuskaityti užtrukdavo ilgai: sužadintų branduolių švytėjimo tekdavo laukti maždaug dešimt minučių (TU Wien). Naujieji laikrodžiai matuoja šviesos sugertį: stebi, kiek ultravioletinės šviesos sugeria kristale įterpti torio branduoliai. Signalas gaunamas iškart, todėl laikrodžio veikimo metu branduoliai gali padėti palaikyti lazerio dažnį. Šį etapą šią savaitę aprašėme ir mes (To Brief).

Vienos laikrodis veikė daugiau kaip 24 valandas be įsikišimo (TU Wien). Pekine ultravioletinė šviesa išgauta kitu būdu, tad branduolinį atskaitos signalą galima sukurti ir naudojant kitokią laboratorinę įrangą.

Visą parą ieškota svyravimo

Vienoje branduolinis laikrodis buvo lyginamas su iterbio jonų atominiu laikrodžiu BEV – Austrijos metrologijos tarnyboje. Jei abu laikrodžius visi aplinkos veiksniai veikia vienodai, jų ritmo dažnių santykis nekinta. Jo dreifas ar svyravimas reikštų, kad kažkas skirtingai veikia branduolius ir elektronus.

Toris tokiems skirtumams neįprastai jautrus. Jo mažą energijos lygmenų skirtumą lemia beveik susipanaikinantys gerokai didesni dydžiai – panašiai kaip banko sąskaitos likutis, apskaičiuotas iš dviejų milžiniškų sumų skirtumo. Nedaug pakeitus bet kurią iš tų sumų, likutis smarkiai pakistų. Todėl teorija numato, kad menkas gamtos konstantų pokytis branduolinį dažnį pakeistų kur kas labiau nei elektroninį.

Kai kuriuose tamsiosios medžiagos modeliuose daroma prielaida, kad erdvę užpildo nematomas, lėtai svyruojantis laukas, keičiantis šias konstantas. Jei toks laukas egzistuoja, abiejų laikrodžių ritmo dažnių santykis turėtų svyruoti kartu su juo.

Maždaug 23 valandų duomenyse svyravimo, išsiskiriančio iš matavimo triukšmo, nepastebėta (arXiv). Neigiamas rezultatas irgi suteikia žinių: jis leidžia atmesti tuos tamsiosios medžiagos variantus, kurie būtų sukėlę matomą signalą. Didelis jautrumo prieaugis taikomas tamsiajai medžiagai, kuri galėtų sąveikauti per stipriąją sąveiką – jėgą, laikančią kartu atomų branduolius, – ir tik daliai galimų jos masių. Sąveikos su šviesa atveju naujos ribos tik prilygsta ankstesnių atominių laikrodžių nustatytoms riboms, o jų griežtumas priklauso nuo branduolių teorijos įverčių, kiek jautrus yra toris („Nature“ recenzavimo medžiaga).

Kodėl naujieji laikrodžiai vis dar klysta

Abu branduoliniai laikrodžiai veikia gerokai prasčiau nei tiksliausi atominiai laikrodžiai, pavyzdžiui, aliuminio jonų laikrodis JAV Nacionaliniame standartų ir technologijų institute (NIST) (NIST). Viena priežasčių – signalas silpnas, todėl laikrodžiams tenka nustatyti signalo centrą pagal menkus aptinkamos šviesos pokyčius.

Kristalas sukelia ir kitą problemą. Torio branduolių aplinka šiek tiek skiriasi, todėl ir jų skleidžiami signalai nėra visiškai vienodo dažnio. Vienos grupė nustatė, kad signalas, priklausomai nuo vietos, kurioje lazeris kerta kristalą, pasislenka iki maždaug 1,7 kiloherco („Nature“).

Fizikai signalo grynumą apibūdina jo linijos pločiu: siaura linija primena gryną toną, o plati – išsiliejusį akordą, prie kurio sunkiau priderinti lazerį. JILA ir TU Wien mokslininkų dar nerecenzuotame išankstiniame straipsnyje nurodoma, kad vieno perėjimo linijos plotis trijuose kristaluose, kuriuose torio koncentracija vis didėjo, padidėjo nuo 28,6 iki 94,8 kiloherco (arXiv). PTB mokslininkas Ekkehardas Peikas palygino dešimčių kilohercų pločio linijas su numatomu natūraliu branduolinės linijos pločiu, gerokai mažesniu nei vienas hercas („Physics World“).

Pirmieji branduoliniai laikrodžiai dar nėra tikslūs laiko matuokliai, tačiau jie jau veikia kaip tyrimų prietaisai. Vos vieną parą lyginant branduolio ir atomo elektronų dažnius, sugriežtintos kai kurios ribos, apibrėžiančios, kaip tamsioji medžiaga galėtų veikti stipriąją sąveiką. Kol kas signalas silpnas, o kristalai riboja laikrodžių tikslumą, nors torio signalas teoriškai galėtų būti gerokai siauresnis.