Torijeve ure izboljšujejo iskanje temne snovi

Vsaka ura potrebuje stabilno referenco: nihalo, kiha kvarčnega kristala ali pri najboljših atomskih urah natančno frekvenco svetlobe, ki jo absorbira atom. Skupini na Dunaju in v Pekingu sta zdaj izdelali uri, ki se ravnata po jedru torija-229 (Dunaj, Nature, Peking, Nature). Čas merita manj stabilno od najboljših atomskih ur, vendar je dunajska naprava že omogočila, da je ena vrsta iskanja temne snovi od 100- do 1.000-krat občutljivejša kot v prejšnjih poskusih z atomskimi urami (Nature).

Poslušanje jedra

Atomska ura deluje podobno kot glasbenik, ki instrument uglašuje po referenčnem tonu. Laser prilagajajo, dokler njegova frekvenca ne ustreza svetlobi, ki jo absorbirajo elektroni v atomu, povratni sistem pa ga ohranja uglašenega. Enakomerno nihanje laserja postane takt ure.

Jedra običajno potrebujejo veliko več energije, kot je lahko zagotovi laser, zato kot referenca doslej niso bila dosegljiva. Torij-229 je izjema. Energija prehoda v njegovem jedru znaša približno 8,4 elektronvolta, kar je dovolj malo, da ga doseže ultravijolična svetloba (Physical Review Letters).

Prejšnji poskusi so ta »ton« zaznali, a so morali na odziv čakati približno deset minut, da so vzbujena jedra zasvetila (TU Wien). Novi uri merita absorpcijo: spremljata, koliko ultravijolične svetlobe vsrkajo jedra torija, vgrajena v kristal. Ker signal prispe takoj, lahko jedra laser sproti uravnavajo, medtem ko ura teče. O tem mejniku smo pisali ta teden (To Brief).

Dunajska ura je več kot 24 ur delovala brez posega (TU Wien). V Pekingu so ultravijolično svetlobo ustvarili z drugačnim postopkom, zato delujoča jedrska referenca ni odvisna od opreme enega samega laboratorija.

Dan iskanja nihanja

Dunajsko jedrsko uro so nato na avstrijskem meroslovnem uradu BEV primerjali z atomsko uro z ionom iterbija. Če bi se obe uri enako odzivali na vse vplive iz okolice, bi razmerje med njunima frekvencama ostalo nespremenjeno. Če bi se razmerje spreminjalo ali nihalo, bi to pomenilo, da neki vpliv različno deluje na jedra in elektrone.

Torij je na takšne razlike posebej občutljiv. Njegova majhna energijska vrzel ostane po skorajšnjem izničenju veliko večjih prispevkov, podobno kot bančno stanje, ki ga dobimo z odštevanjem dveh ogromnih zneskov. Že majhna sprememba enega od njiju lahko močno spremeni končni rezultat. Teorija zato napoveduje, da bi majhna sprememba naravnih konstant veliko bolj spremenila jedrsko frekvenco kot elektronsko.

Nekateri modeli temne snovi predvidevajo nevidno polje, ki zapolnjuje prostor in počasi niha ter s tem spreminja naravne konstante. Če to polje obstaja, bi moralo z njim nihati tudi razmerje med frekvencama obeh ur.

V približno 23 urah meritev nobeno nihanje ni preseglo ravni šuma (arXiv). Tudi ničelni rezultat je uporaben, saj izloči različice temne snovi, ki bi povzročile zaznaven signal. Velik napredek velja za temno snov, ki bi delovala prek močne sile, sile, ki povezuje atomska jedra, in le za del možnega razpona mas. Pri interakcijah s svetlobo so nove omejitve le enako stroge kot omejitve iz prejšnjih poskusov z atomskimi urami; njihova natančnost je odvisna od ocen torijeve občutljivosti, ki temeljijo na jedrski teoriji (recenzentsko gradivo za Nature).

Zakaj nove ure še vedno odnaša

Obe jedrski uri odnašata veliko bolj kot najboljše atomske ure, denimo ura z aluminijevim ionom na ameriškem Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo NIST (NIST). Težava je deloma v šibki absorpciji, zato morajo ure s komaj zaznavnimi spremembami svetlobe poiskati sredino frekvenčne črte.

Drugo težavo povzroča kristal. Jedra torija so v nekoliko različnih okoljih, zato ne oddajajo povsem enakega »tona«. Na Dunaju se je frekvenčna črta glede na mesto, kjer je laser prečkal kristal, premaknila za največ približno 1,7 kilohertza (Nature).

Fiziki ostrino tega »tona« imenujejo širina črte: ozka črta je čist ton, široka pa zabrisan akord, na katerega se je težje uglasiti. V še nerecenziranem predtisku raziskovalcev z JILA in TU Wien se je širina enega prehoda med tremi kristali z vse večjo koncentracijo torija povečala z 28,6 na 94,8 kilohertza (arXiv). Ekkehard Peik z nemškega nacionalnega fizikalno-tehniškega inštituta PTB je širine več deset kilohertzov primerjal z naravno širino jedrske črte, za katero pričakujejo, da bo precej manjša od enega herca (Physics World).

Prve jedrske ure čas merijo grobo, vendar so že uporabni raziskovalni instrumenti. En sam dan primerjave jedra z elektroni v atomu je zaostril nekatere omejitve glede tega, kako bi lahko temna snov vplivala na močno silo. Šibki signali in kristali, v katerih so jedra, pa za zdaj preprečujejo, da bi ura dosegla ostrino tona, ki ga torij lahko ponudi.