Zegary z toru wyostrzają poszukiwania ciemnej materii

Każdy zegar potrzebuje stabilnego wzorca: wahadła, drgającego kryształu kwarcu albo, w najlepszych zegarach atomowych, dokładnej częstotliwości światła pochłanianego przez atom. Zespoły z Wiednia i Pekinu zbudowały zegary, które za wzorzec przyjmują jądro toru-229 (Wiedeń, Nature, Pekin, Nature). Ich wskazania są mniej stabilne niż w czołowych zegarach atomowych. Mimo to wiedeńskie urządzenie zwiększyło 100–1000 razy czułość jednego rodzaju poszukiwań ciemnej materii w porównaniu z wcześniejszymi eksperymentami wykorzystującymi zegary atomowe (Nature).

Sygnał jądra

Zegar atomowy działa trochę jak muzyk strojący instrument do dźwięku wzorcowego. Laser dostraja się tak, by jego częstotliwość odpowiadała częstotliwości światła pochłanianego przez elektrony atomu, a układ sprzężenia zwrotnego utrzymuje tę zgodność. Regularne oscylacje lasera wyznaczają tyknięcia zegara.

Wzbudzenie jądra wymaga zwykle znacznie większej energii, niż może dostarczyć laser, dlatego jądra nie nadawały się dotąd na wzorce częstotliwości. Tor-229 jest wyjątkiem: przejście w jego jądrze wymaga około 8,4 elektronowolta, więc można je wzbudzić światłem ultrafioletowym (Physical Review Letters).

Wcześniejsze eksperymenty wykryły ten sygnał, ale jego odczyt trwał długo: na emisję światła przez wzbudzone jądra trzeba było czekać około dziesięciu minut (TU Wien). Nowe zegary mierzą pochłanianie światła, sprawdzając, ile promieniowania ultrafioletowego pochłaniają jądra toru osadzone w krysztale. Sygnał pojawia się szybko, więc jądra mogą na bieżąco korygować częstotliwość lasera podczas pracy zegara. Ten krok opisaliśmy w tym tygodniu (To Brief).

Wiedeński zegar pracował ponad 24 godziny bez ingerencji (TU Wien). Zespół z Pekinu wytworzył światło ultrafioletowe inną metodą, co pokazuje, że działający wzorzec jądrowy nie zależy od aparatury jednego laboratorium.

Doba poszukiwania wahań

Wiedeński zegar jądrowy pracował następnie równolegle z zegarem atomowym wykorzystującym jon iterbu w BEV, austriackim urzędzie miar. Gdyby oba zegary jednakowo reagowały na czynniki zewnętrzne, stosunek ich częstotliwości tykania pozostawałby stały. Jego dryf lub wahania wskazywałyby, że coś inaczej wpływa na jądra, a inaczej na elektrony.

Tor jest wyjątkowo czuły na takie różnice. Niewielka różnica energii w jądrze pozostaje po niemal dokładnym zniesieniu znacznie większych składników, podobnie jak saldo bankowe obliczone przez odjęcie dwóch ogromnych kwot. Mała zmiana jednej z nich może mocno zmienić wynik. Teoria przewiduje więc, że nawet drobna zmiana stałych przyrody przesunęłaby częstotliwość jądrową znacznie bardziej niż częstotliwość zależną od elektronów.

Niektóre modele ciemnej materii zakładają istnienie niewidzialnego pola, które wypełnia przestrzeń i powoli oscyluje. Takie pole miałoby wprawiać stałe przyrody w wahania. Jeśli istnieje, stosunek częstotliwości obu zegarów powinien zmieniać się w rytm jego oscylacji.

W danych zebranych przez około 23 godziny nie pojawiły się wahania większe od szumu pomiarowego (arXiv). Wynik zerowy ma znaczenie, bo wyklucza te wersje modeli ciemnej materii, które powinny dać widoczny sygnał. Największy postęp dotyczy modeli, w których ciemna materia oddziałuje poprzez siłę wiążącą jądra atomowe, i tylko części możliwego zakresu jej mas. W przypadku oddziaływania ze światłem nowe ograniczenia jedynie dorównują wcześniejszym wynikom uzyskanym za pomocą zegarów atomowych, a ich dokładność zależy od teoretycznych oszacowań czułości toru (dokument z recenzji artykułu w Nature).

Dlaczego wskazania nowych zegarów wciąż dryfują

Oba zegary jądrowe wykazują znacznie większy dryf niż najlepsze zegary atomowe, takie jak zegar jonowy na aluminium w NIST (NIST). Część problemu wynika ze słabego sygnału pochłaniania: zegary muszą wyznaczać środek linii na podstawie niewielkich zmian w ilości wykrytego światła.

Drugim problemem jest kryształ. Jądra toru znajdują się w nieco różnych warunkach, więc nie wszystkie pochłaniają światło o dokładnie tej samej częstotliwości. W Wiedniu linia przesuwała się nawet o około 1,7 kilohertza, zależnie od miejsca, w którym laser przechodził przez kryształ (Nature).

Fizycy nazywają szerokością linii miarę precyzji, z jaką można określić częstotliwość: wąska linia przypomina czysty ton, a szeroka jest rozmyta i trudniej ją wykorzystać do stabilizacji lasera. W preprincie, który nie przeszedł jeszcze recenzji, badacze z JILA i TU Wien opisali, jak szerokość linii jednego przejścia wzrosła z 28,6 do 94,8 kilohertza w trzech kryształach o rosnącym stężeniu toru (arXiv). Ekkehard Peik z PTB zestawił linie o szerokości dziesiątek kilohertzów z przewidywaną naturalną szerokością linii jądrowej, wynoszącą znacznie mniej niż jeden herc (Physics World).

Pierwsze zegary jądrowe niedokładnie odmierzają czas, ale już służą badaniom. Doba porównywania jądra z elektronami atomu pozwoliła zaostrzyć część ograniczeń dotyczących tego, jak ciemna materia może oddziaływać z siłą silną. Słaby sygnał absorpcji i kryształy, w których osadzono jądra, wciąż jednak ograniczają precyzję zegarów, pozostawiając ją daleko od tego, na co pozwala sam tor.