Torija pulksteņi uzlabo tumšās matērijas meklēšanu

Katram pulkstenim vajadzīga stabila atskaites frekvence: svārsta kustība, kvarca kristāla vibrācijas vai, precīzākajos atomu pulksteņos, gaismas frekvence, ko absorbē atoma elektroni. Pētnieku grupas Vīnē un Pekinā radījušas pulksteņus, kuru atskaites punkts ir torija-229 kodols (Vīne, Nature, Pekina, Nature). Tie laiku mēra nestabilāk nekā labākie atomu pulksteņi. Taču Vīnes ierīce jau 100 līdz 1 000 reižu palielinājusi jutību vienā tumšās matērijas meklēšanas virzienā, salīdzinot ar iepriekšējiem atomu pulksteņu eksperimentiem (Nature).

Klausoties kodolā

Atoma pulkstenis darbojas līdzīgi, kā mūziķis noskaņo instrumentu pēc etalona skaņas. Lāzeru pielāgo, līdz tā frekvence atbilst gaismai, ko absorbē atoma elektroni, un atgriezeniskās saites sistēma to notur šajā frekvencē. Lāzera stabilās svārstības kļūst par pulksteņa tikšķiem.

Lai ierosinātu atomu kodolus, parasti vajadzīga daudz lielāka enerģija, nekā spēj dot lāzers, tāpēc kodolus nevarēja izmantot kā atskaites signālu. Torijs-229 ir izņēmums: tā kodola pārejai vajag aptuveni 8,4 elektronvoltu enerģiju, ko spēj nodrošināt ultravioletā gaisma (Physical Review Letters).

Iepriekšējos eksperimentos šo signālu izdevās atrast, taču tā nolasīšana prasīja laiku: bija aptuveni desmit minūtes jāgaida, līdz ierosinātie kodoli izstaro gaismu (TU Wien). Jaunie pulksteņi mēra absorbciju — seko tam, cik daudz ultravioletās gaismas kristālā ievietotie torija kodoli absorbē. Signāls pienāk uzreiz, tāpēc kodoli var nepārtraukti koriģēt lāzera frekvenci, kamēr pulkstenis darbojas. Par šo soli rakstījām šonedēļ (To Brief).

Vīnes pulkstenis darbojās vairāk nekā 24 stundas bez iejaukšanās (TU Wien). Pekinas pētnieki ultravioleto gaismu radīja citādi, tāpēc kodola atskaites frekvences iegūšana nav atkarīga no vienas laboratorijas aparatūras.

Meklējot svārstības diennakts garumā

Vīnes pētnieki kodolpulksteni darbināja līdzās iterbija jona atomu pulkstenim Austrijas metroloģijas birojā BEV. Ja apkārtējā vide abus pulksteņus ietekmē vienādi, to frekvenču attiecībai jāpaliek nemainīgai. Ja tā mainās vai svārstās, tas nozīmētu, ka kāds faktors kodolus un elektronus ietekmē atšķirīgi.

Torijs pret šādām atšķirībām ir īpaši jutīgs. Tā mazā enerģijas starpība rodas pēc tam, kad savstarpēji gandrīz dzēsušies daudz lielāki ieguldījumi — līdzīgi kā bankas konta atlikumu iegūst, atņemot divas ļoti lielas summas. Pietiek nedaudz izmainīt vienu no summām, un atlikums būtiski mainās. Tāpēc teorija paredz, ka pat nelielas dabas pamatkonstanšu izmaiņas kodola frekvenci mainītu daudz vairāk nekā elektronu pārejas frekvenci.

Daži tumšās matērijas modeļi paredz, ka telpu piepilda neredzams lauks, kas lēni svārstās un liek dabas pamatkonstantēm mainīties. Ja šāds lauks pastāv, abu pulksteņu frekvenču attiecībai vajadzētu svārstīties vienā ritmā ar to.

Aptuveni 23 stundu datos neviena svārstība nepārsniedza trokšņa līmeni (arXiv). Arī negatīvs rezultāts dod informāciju: tas izslēdz tos tumšās matērijas modeļus, kuros signālam būtu bijis jābūt izmērāmam. Jutības pieaugums ir liels tikai tiem modeļiem, kuros tumšā matērija mijiedarbojas ar stipro mijiedarbību, kas satur kopā atomu kodolus, turklāt tikai daļā no iespējamā masu diapazona. Mijiedarbībā ar gaismu jaunie ierobežojumi vien sasniedz iepriekšējo atomu pulksteņu līmeni, un to stingrība atkarīga no kodolfizikas teorētiskajiem aprēķiniem par torija jutību (Nature recenzentu materiāli).

Kāpēc jaunie pulksteņi joprojām svārstās

Abi kodolpulksteņi rāda laiku daudz nestabilāk nekā labākie atomu pulksteņi, piemēram, alumīnija jona pulkstenis ASV Nacionālajā standartu un tehnoloģiju institūtā NIST (NIST). Daļēji vainojams vājais absorbcijas signāls: pulksteņiem rezonanses frekvences centrs jānosaka pēc pavisam nelielām izmaiņām uztvertajā gaismā.

Kristāls rada vēl vienu problēmu. Torija kodoli atrodas nedaudz atšķirīgā vidē, tāpēc to rezonanses frekvences nav gluži vienādas. Vīnes pētnieki novēroja, ka līnijas pozīcija mainījās līdz pat aptuveni 1,7 kilohertziem atkarībā no tā, kur lāzera stars šķērsoja kristālu (Nature).

Fiziķi rezonanses līnijas asumu raksturo ar tās platumu: šaura līnija ir kā tīrs tonis, bet plata — kā izplūdis akords, kuram grūtāk pieskaņot lāzeru. JILA un TU Wien pētnieku priekšpublikācijā, ko recenzenti vēl nav izvērtējuši, vienas pārejas līnijas platums trīs kristālos pieauga no 28,6 līdz 94,8 kilohertziem, palielinoties torija koncentrācijai (arXiv). PTB pētnieks Ekhards Paiks salīdzinājis šos desmitiem kilohercu platos signālus ar dabisko kodola līnijas platumu, kam vajadzētu būt daudz mazākam par vienu hercu (Physics World).

Pirmie kodolpulksteņi vēl mēra laiku ar lielām svārstībām, taču tie jau ir pētniecības instrumenti. Vienas dienas salīdzinājums starp kodolu un atoma elektroniem ļāvis noteikt stingrākas robežas tam, cik spēcīgi tumšā matērija var iedarboties uz stipro mijiedarbību. Vājie signāli un kristāli, kuros ievietoti kodoli, pagaidām neļauj sasniegt to precizitāti, ko torija kodola rezonanse varētu piedāvāt.