Toriumklockor skärper jakten på mörk materia

Alla klockor behöver en stadig referens: en pendel, en svängande kvartskristall eller, i de bästa atomklockorna, den exakta ljusfrekvens som en atom absorberar. Forskargrupper i Wien och Peking har nu byggt klockor som i stället använder en övergång i kärnan hos torium-229 (Wien, Nature, Peking, Nature). De håller tiden mindre stabilt än de främsta atomklockorna. Ändå har klockan från Wien redan gjort en typ av sökande efter mörk materia 100 till 1 000 gånger känsligare än tidigare försök med atomklockor (Nature).

Att lyssna på en atomkärna

En atomklocka fungerar ungefär som en musiker som stämmer sitt instrument mot en referenston. En laser justeras tills dess frekvens motsvarar ljuset som atomens elektroner absorberar. Ett återkopplingssystem håller sedan lasern låst vid den frekvensen. Laserljusets jämna svängningar blir klockans tidsslag.

Atomkärnor behöver normalt mycket mer energi än en laser kan leverera och har därför inte kunnat användas som referens. Torium-229 är ett undantag. Kärnan har en övergång på omkring 8,4 elektronvolt, tillräckligt låg energi för att ultraviolett ljus ska nå den (Physical Review Letters).

Tidigare experiment hade hittat tonen, men avläsningen tog lång tid: forskarna fick vänta ungefär tio minuter på att de exciterade kärnorna skulle avge ljus (TU Wien). De nya klockorna mäter i stället absorptionen genom att registrera hur mycket ultraviolett ljus toriumkärnorna i en kristall absorberar. Signalen kommer direkt, så kärnorna kan fortlöpande hjälpa till att korrigera lasern medan klockan går. Det är genombrottet vi skrev om den här veckan (To Brief).

Klockan från Wien gick i mer än 24 timmar utan att behöva justeras (TU Wien). Forskarna i Peking tog fram sitt ultravioletta ljus med en annan teknik. Det visar att en fungerande kärnreferens inte är beroende av utrustningen vid ett enda laboratorium.

Ett dygns sökande efter en svängning

Forskarna i Wien körde sedan sin kärnklocka parallellt med en klocka baserad på ytterbiumjoner vid BEV, Österrikes metrologimyndighet. Om båda klockorna påverkas på samma sätt av omgivningen ligger förhållandet mellan deras frekvenser stilla. Om förhållandet förändras eller svänger tyder det på att något påverkar atomkärnor och elektroner på olika sätt.

Torium är ovanligt känsligt för sådana skillnader. Den lilla energiskillnaden i kärnan är det som återstår när mycket större bidrag nästan tar ut varandra, ungefär som ett banksaldo som räknas fram genom att två mycket stora belopp dras från varandra. En liten ändring i något av beloppen får då stor effekt på saldot. Teorin förutsäger därför att en liten förändring i naturens konstanter skulle påverka kärnfrekvensen betydligt mer än elektronfrekvensen.

Vissa modeller för mörk materia beskriver ett osynligt fält som fyller rymden och svänger långsamt, så att det får naturens konstanter att variera. Om ett sådant fält finns bör förhållandet mellan klockornas frekvenser svänga i takt med det.

Under ungefär 23 timmars mätningar syntes ingen svängning som stack ut över bruset (arXiv). Även ett nollresultat ger kunskap, eftersom det utesluter varianter av mörk materia som skulle ha gett en synlig signal. Den stora känslighetsökningen gäller mörk materia som skulle påverka den starka växelverkan, kraften som håller ihop atomkärnor, och bara inom en del av det möjliga massintervallet. För växelverkan med ljus sätter de nya resultaten inte snävare gränser än tidigare atomklockor. Hur snäva gränserna är beror också på kärnteoretiska uppskattningar av toriums känslighet (Nature peer-review file).

Varför de nya klockorna ännu går ojämnt

Båda kärnklockorna driver betydligt mer än de bästa atomklockorna, som klockan med aluminiumjoner vid NIST (NIST). En del av problemet är att absorptionssignalen är svag. Klockorna måste därför hitta tonens mittpunkt utifrån mycket små förändringar i det uppmätta ljuset.

Kristallen skapar ett andra problem. Toriumkärnorna befinner sig i något olika omgivningar och har därför inte exakt samma resonansfrekvens. I Wien mätte forskarna en förskjutning på upp till omkring 1,7 kilohertz, beroende på var lasern träffade kristallen (Nature).

Fysiker kallar tonens bredd för linjebredd: en smal linje är en ren ton, medan en bred linje är utsmetad och svårare att låsa lasern vid. I ett ännu inte sakkunniggranskat manuskript på arXiv beskriver forskare från JILA och TU Wien hur en övergångs linjebredd ökade från 28,6 till 94,8 kilohertz mellan tre kristaller med allt högre toriumhalt (arXiv). Ekkehard Peik vid PTB har jämfört linjer som är tiotals kilohertz breda med en förväntad naturlig kärnlinjebredd på långt under en hertz (Physics World).

De första kärnklockorna går ännu ojämnt, men fungerar redan som forskningsinstrument. Ett dygns jämförelse mellan en atomkärna och atomernas elektroner har skärpt vissa gränser för hur mörk materia kan påverka den starka växelverkan. De svaga signalerna och kristallerna som rymmer kärnorna gör ändå att klockorna inte kan utnyttja den skarpa resonans som torium kan erbjuda.