Tóriové hodiny spresňujú pátranie po tmavej hmote

Každé hodiny potrebujú stabilnú referenciu: kyvadlo, kmitajúci kremenný kryštál alebo v najlepších atómových hodinách presnú frekvenciu svetla, ktoré atóm absorbuje. Tímy vo Viedni a Pekingu teraz zostrojili hodiny, ktoré odvodzujú čas od jadra tória-229 (Viedeň, Nature, Peking, Nature). Stabilitou zatiaľ zaostávajú za najlepšími atómovými hodinami. Viedenské zariadenie však už zvýšilo citlivosť jedného typu hľadania tmavej hmoty 100- až 1 000-krát oproti skorším experimentom s atómovými hodinami (Nature).

Signál z jadra

Atómové hodiny fungujú trochu ako hudobník, ktorý ladí nástroj podľa referenčného tónu. Laser sa nastavuje, kým jeho frekvencia nezodpovedá svetlu, ktoré absorbujú elektróny v atóme. Spätnoväzbový systém ju potom udržiava na tejto hodnote. Pravidelné kmity lasera tvoria tikot hodín.

Jadrá zvyčajne potrebujú oveľa viac energie, než im dokáže dodať laser, a preto sa na meranie času doteraz nedali využiť. Tórium-229 je výnimkou. Jeho jadrový prechod má energiu približne 8,4 elektrónvoltu, takže ho dokáže vyvolať ultrafialové svetlo (Physical Review Letters).

Staršie experimenty túto frekvenciu zachytili, no na signál čakali približne desať minút, kým excitované jadrá začali žiariť (TU Wien). Nové hodiny namiesto toho merajú absorpciu: sledujú, koľko ultrafialového svetla pohltia jadrá tória uložené v kryštáli. Signál prichádza rýchlo, takže systém môže počas chodu hodín priebežne dolaďovať laser. Práve o tomto posune sme tento týždeň písali (To Brief).

Viedenské hodiny bežali viac ako 24 hodín bez zásahu (TU Wien). V Pekingu vytvorili ultrafialové svetlo inou technikou. Funkčná jadrová referencia teda nezávisí od vybavenia jediného laboratória.

Deň hľadania kolísania

Vo Viedni potom porovnávali jadrové hodiny s atómovými hodinami založenými na ióne yterbia na pracovisku BEV, rakúskeho úradu pre metrológiu. Ak obe hodiny reagujú rovnako na všetko vo svojom okolí, pomer ich frekvencií zostáva nemenný. Jeho posun alebo kolísanie by znamenali, že niečo pôsobí na jadrá a elektróny rozdielne.

Tórium je na takéto rozdiely nezvyčajne citlivé. Jeho malá energetická medzera zostáva po takmer úplnom vyrušení oveľa väčších príspevkov, podobne ako zostatok na účte po odčítaní dvoch obrovských súm. Malá zmena ktorejkoľvek z nich preto môže výsledok výrazne posunúť. Teória predpovedá, že aj nepatrná zmena prírodných konštánt by pohla frekvenciou jadra oveľa viac než frekvenciou elektrónov.

Podľa niektorých modelov tvorí tmavú hmotu neviditeľné pole, ktoré vypĺňa priestor a pomaly kmitá, čím striedavo mení základné prírodné konštanty. Ak také pole existuje, pomer frekvencií oboch hodín by mal kolísať v rovnakom rytme.

Počas približne 23 hodín merania neprekročilo nijaké kolísanie úroveň šumu (arXiv). Aj nulový výsledok prináša poznatky: vylučuje modely tmavej hmoty, ktoré by vytvorili viditeľný signál. Najväčší posun sa týka modelov, v ktorých tmavá hmota pôsobí prostredníctvom silnej interakcie, teda sily, ktorá drží jadrá atómov pohromade, a len časti možného rozsahu jej hmotností. Pri interakciách so svetlom nové limity iba dorovnávajú výsledky skorších atómových hodín. Ich presnosť závisí od odhadov citlivosti tória, ktoré vychádzajú z jadrovej teórie (recenzné podklady k článku v Nature).

Prečo sa nové hodiny stále rozchádzajú

Frekvencia oboch jadrových hodín kolíše oveľa viac než pri najlepších atómových hodinách, napríklad pri hodinách s iónom hliníka v NIST (NIST). Časť problému spočíva v slabom absorpčnom signále. Hodiny preto musia stred rezonančnej čiary určovať z nepatrných zmien v zachytenom svetle.

Ďalší problém predstavuje kryštál. Jadrá tória majú v ňom mierne odlišné okolie, a preto nerezonujú celkom rovnakou frekvenciou. Vo Viedni sa poloha čiary menila až o približne 1,7 kilohertza podľa toho, ktorou časťou kryštálu prechádzal laser (Nature).

Fyzici nazývajú šírku tejto rezonančnej čiary jej šírkou čiary: úzka čiara zodpovedá čistému tónu, široká skôr rozmazanému akordu, na ktorý sa laser ťažšie naladí. V predbežnej štúdii výskumníkov z JILA a TU Wien, ktorá ešte neprešla odborným posúdením, sa šírka jedného prechodu zväčšila z 28,6 na 94,8 kilohertza v troch kryštáloch s rastúcou koncentráciou tória (arXiv). Ekkehard Peik z PTB porovnal čiary široké desiatky kilohertzov s očakávanou prirodzenou šírkou jadrovej čiary, ktorá je výrazne menšia než jeden hertz (Physics World).

Prvé jadrové hodiny zatiaľ merajú čas nepresne, no už slúžia vo výskume. Za jediný deň porovnávania jadra s elektrónmi atómu vedci sprísnili niektoré limity toho, ako môže tmavá hmota pôsobiť na silnú interakciu. Slabý signál a kryštály, v ktorých sú jadrá uložené, však zatiaľ bránia hodinám dosiahnuť stabilitu, akú by umožnila úzka rezonančná čiara tória.