Thoriumklokken scherpen zoektocht naar donkere materie aan

Elke klok heeft een stabiele referentie nodig: een slinger, een trillend kwartskristal of, bij de beste atoomklokken, de precieze frequentie van licht dat een atoom absorbeert. Teams in Wenen en Beijing hebben nu klokken gebouwd die hun referentie ontlenen aan de kern van thorium-229 (Vienna, Nature, Beijing, Nature). Ze lopen minder stabiel dan de beste atoomklokken. Toch heeft de klok in Wenen één type zoektocht naar donkere materie al 100 tot 1.000 keer gevoeliger gemaakt dan eerdere experimenten met atoomklokken (Nature).

Luisteren naar een atoomkern

Een atoomklok werkt ongeveer als een musicus die stemt op een vaste toon. Een laser wordt zo afgesteld dat zijn frequentie overeenkomt met die van het licht dat de elektronen in het atoom absorberen. Een terugkoppelingssysteem houdt de laser daarop afgestemd. De stabiele trillingen van de laser vormen de tikken van de klok.

Atoomkernen vergen doorgaans veel meer energie dan een laser kan leveren. Daardoor konden ze tot nu toe niet als referentie dienen. Thorium-229 is de uitzondering: de kern heeft een overgang van ongeveer 8,4 elektronvolt, laag genoeg om met ultraviolet licht te worden aangeslagen (Physical Review Letters).

Eerdere experimenten vonden deze overgang al, maar onderzoekers moesten ongeveer tien minuten wachten tot de aangeslagen kernen licht uitzonden (TU Wien). De nieuwe klokken meten in plaats daarvan de absorptie: ze volgen hoeveel ultraviolet licht de thoriumkernen in een kristal opnemen. Dat signaal is vrijwel direct beschikbaar. Daardoor kan de laser tijdens het lopen van de klok voortdurend op de kernen worden afgestemd. Die stap bespraken we deze week al (To Brief).

De klok in Wenen liep meer dan 24 uur zonder ingreep (TU Wien). In Beijing werd het ultraviolet licht met een andere techniek opgewekt. Een werkende kernreferentie is dus niet afhankelijk van de apparatuur van één laboratorium.

Een dag op zoek naar een schommeling

Vervolgens liet het team in Wenen de kernklok meelopen met een atoomklok met een ytterbiumion bij BEV, het Oostenrijkse meetinstituut. Reageren beide klokken hetzelfde op invloeden van buitenaf, dan blijft de verhouding tussen hun tiksnelheden constant. Een verhouding die verschuift of schommelt, wijst erop dat iets atoomkernen en elektronen verschillend beïnvloedt.

Thorium is bijzonder gevoelig voor zulke verschillen. De kleine energiekloof is wat overblijft nadat veel grotere bijdragen elkaar bijna opheffen, zoals een banksaldo dat ontstaat door twee enorme bedragen van elkaar af te trekken. Een kleine verandering in een van die bedragen kan het saldo sterk doen verschuiven. Daarom voorspelt de theorie dat een geringe verandering in natuurconstanten de kernfrequentie veel sterker beïnvloedt dan een elektronische frequentie.

Sommige modellen van donkere materie gaan uit van een onzichtbaar veld dat de ruimte vult en langzaam trilt. Dat veld zou de natuurconstanten heen en weer laten bewegen. Als het bestaat, zou ook de verhouding tussen de twee klokfrequenties in hetzelfde tempo moeten schommelen.

In ongeveer 23 uur aan metingen kwam geen schommeling boven de meetruis uit (arXiv). Ook een nulresultaat levert informatie op: modellen die een zichtbaar signaal zouden opleveren, vallen ermee af. De grote gevoeligheidswinst geldt voor donkere materie die via de sterke kernkracht op materie inwerkt, de kracht die atoomkernen bijeenhoudt, en alleen binnen een deel van het mogelijke massabereik. Bij interacties met licht evenaren de nieuwe grenzen die van eerdere atoomklokken. Hoe scherp de grenzen zijn, hangt bovendien af van theoretische schattingen van thoriums gevoeligheid (Nature peer-review file).

Waarom de nieuwe klokken nog niet stabiel lopen

Beide kernklokken lopen veel minder stabiel dan de beste atoomklokken, zoals de aluminiumionklok van NIST (NIST). De absorptie is zwak, waardoor de klokken het midden van de frequentielijn moeten bepalen aan de hand van kleine veranderingen in het gemeten licht.

Het kristal zorgt overigens voor een tweede probleem. De thoriumkernen zitten in net iets verschillende omgevingen en hebben daardoor niet allemaal precies dezelfde frequentie. In Wenen verschoof de lijn met maximaal ongeveer 1,7 kilohertz, afhankelijk van de plek waar de laser het kristal raakte (Nature).

Natuurkundigen noemen de scherpte van die frequentielijn de lijnbreedte: een smalle lijn is een zuivere toon, een brede klinkt als een uitgesmeerd akkoord en is lastiger om op af te stemmen. In een nog niet door vakgenoten beoordeeld preprint van onderzoekers van JILA en TU Wien liep de lijnbreedte bij drie kristallen met oplopende thoriumconcentratie op van 28,6 tot 94,8 kilohertz (arXiv). Ekkehard Peik van PTB zette lijnen van tientallen kilohertz breed af tegen een natuurlijke kernlijnbreedte die naar verwachting ruim onder één hertz ligt (Physics World).

De eerste kernklokken lopen nog onnauwkeurig, maar zijn al bruikbare onderzoeksinstrumenten. Met één dag waarin onderzoekers een kernfrequentie vergeleken met die van elektronen, zijn sommige grenzen aangescherpt aan de manier waarop donkere materie aan de sterke kernkracht kan trekken. Zwakke signalen en de kristallen waarin de kernen zitten, zorgen er intussen voor dat de klokken de scherpe frequentie die thorium kan bieden nog niet volledig benutten.