Ceasurile cu toriu rafinează căutarea materiei întunecate

Orice ceas are nevoie de un reper stabil: un pendul, un cristal de cuarț care vibrează sau, în cazul celor mai bune ceasuri atomice, frecvența exactă a luminii absorbite de un atom. Echipe din Viena și Beijing au construit acum ceasuri care folosesc drept reper nucleul atomului de toriu-229 (Viena, Nature, Beijing, Nature). Ele măsoară timpul mai puțin stabil decât cele mai bune ceasuri atomice, însă dispozitivul din Viena a făcut deja o anumită căutare a materiei întunecate de 100 până la 1.000 de ori mai sensibilă decât în experimentele anterioare cu ceasuri atomice (Nature).

Un nucleu pus să țină ritmul

Un ceas atomic funcționează puțin ca un muzician care își acordă instrumentul după o notă de referință. Un laser este reglat până când frecvența lui se potrivește cu cea a luminii absorbite de electronii atomului, iar un sistem de feedback o menține fixată la această valoare. Oscilațiile regulate ale laserului devin bătăile ceasului.

Nucleele au nevoie, de regulă, de mult mai multă energie decât poate furniza un laser, așa că nu au putut fi folosite drept reper. Toriul-229 este o excepție: nucleul său are o tranziție de aproximativ 8,4 electronvolți, suficient de joasă pentru a putea fi atinsă cu lumină ultravioletă (Physical Review Letters).

Experimentele anterioare au detectat această tranziție, dar măsurau lent: așteptau aproximativ zece minute ca nucleele excitate să emită lumină (TU Wien). Noile ceasuri măsoară în schimb absorbția, urmărind câtă lumină ultravioletă absorb nucleele de toriu încorporate într-un cristal. Semnalul apare rapid, astfel încât sistemul poate regla laserul pe baza răspunsului nucleelor în timp ce ceasul funcționează. Acesta este progresul despre care am scris săptămâna aceasta (To Brief).

Ceasul din Viena a funcționat peste 24 de ore fără intervenție (TU Wien). Echipa din Beijing a produs lumina ultravioletă printr-o tehnică diferită, ceea ce arată că realizarea unui reper nuclear nu depinde de echipamentele unui singur laborator.

O zi de căutare a unei oscilații

Echipa din Viena a comparat apoi ceasul nuclear cu un ceas atomic cu ioni de iterbiu, la BEV, institutul austriac de metrologie. Dacă ambele ceasuri reacționează la fel la tot ce le înconjoară, raportul dintre frecvențele lor rămâne constant. Dacă raportul se schimbă sau oscilează, înseamnă că un factor afectează diferit nucleele și electronii.

Toriul este neobișnuit de sensibil la asemenea diferențe. Mica lui diferență de energie rămâne după ce contribuții mult mai mari se anulează aproape complet, ca un sold obținut scăzând două numere uriașe. O modificare mică a unuia dintre ele poate schimba mult rezultatul. De aceea, teoria prezice că o variație infimă a constantelor naturii ar deplasa frecvența nucleară mult mai mult decât pe cea electronică.

Unele modele ale materiei întunecate descriu un câmp invizibil care umple spațiul și oscilează lent, făcând aceste constante să varieze. Dacă acest câmp există, raportul dintre cele două ceasuri ar trebui să oscileze în același ritm.

În aproximativ 23 de ore de măsurători, echipa nu a detectat nicio oscilație care să depășească nivelul de zgomot (arXiv). Un rezultat nul oferă totuși informații: exclude versiunile materiei întunecate care ar fi produs un semnal vizibil. Câștigul mare de sensibilitate privește materia întunecată care ar interacționa prin forța tare, cea care ține nucleele atomilor laolaltă, și doar o parte din intervalul maselor posibile. Pentru interacțiunile cu lumina, noile limite sunt comparabile cu cele stabilite anterior cu ceasuri atomice, iar precizia lor depinde de estimările teoriei nucleare privind sensibilitatea toriului (documentul de evaluare Nature).

De ce ceasurile noi încă se abat

Ambele ceasuri nucleare au o abatere în timp mult mai mare decât cele mai bune ceasuri atomice, cum este cel cu ioni de aluminiu de la NIST (NIST). O parte din problemă este că semnalul de absorbție este slab, iar ceasurile trebuie să găsească centrul liniei spectrale urmărind variații foarte mici ale luminii detectate.

Cristalul creează o a doua problemă. Nucleele de toriu se află în medii ușor diferite, așa că nu emit toate exact la aceeași frecvență. Echipa din Viena a observat că linia se deplasa cu până la aproximativ 1,7 kilohertzi, în funcție de punctul în care laserul traversa cristalul (Nature).

Fizicienii numesc lățimea liniei spectrale o măsură a clarității tranziției: o linie îngustă seamănă cu un sunet pur, iar una lată cu un acord estompat, mai greu de urmărit. Într-un preprint care nu a fost încă evaluat de alți cercetători, o echipă de la JILA și TU Wien a raportat că lățimea unei tranziții a crescut de la 28,6 la 94,8 kilohertzi în trei cristale cu concentrații tot mai mari de toriu (arXiv). Ekkehard Peik de la PTB a comparat aceste linii, late de zeci de kilohertzi, cu lățimea naturală a nucleului, estimată la mult sub un hertz (Physics World).

Primele ceasuri nucleare măsoară timpul cu precizie modestă, dar sunt deja instrumente de cercetare funcționale. Într-o singură zi de comparație între un nucleu și electronii unui atom, cercetătorii au restrâns unele limite privind felul în care materia întunecată ar putea influența forța tare. Semnalele slabe și cristalele în care se află nucleele mențin însă aceste ceasuri departe de precizia pe care ar putea-o permite tranziția toriului.