Współczesne zegary optyczne pracują z dokładnością 1 sekundy na 20 miliardów lat. Dlatego też naukowcy z USA, pracujący pod kierunkiem Juna Ye z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii postanowili wykorzystać tę precyzję oraz niezwykłą stabilność wykorzystywanych w nich kryształów krzemowych do uściślenia zakresu potencjalnych interakcji zachodzących pomiędzy ciemną materią a cząstkami i polami Modelu Standardowego.

Zegar atomowy wielkości układu scalonego

O ciemnej materii wiemy niewiele. Mamy jedynie pośrednie dowody na jej istnienie, gdyż widzimy wywierane przez nią efekty grawitacyjne w skali galaktycznej i kosmologicznej. Jednym z elementów, które dotychczas wymykają się naukowcom poszukującym ciemnej materii są spodziewane oscylacje stałych fizycznych, jakie powinny zachodzić na styku ciemnej materii oddziałującej z cząstkami Modelu Standardowego. Ye i jego zespół zdali sobie sprawę, że jeśli za pomocą zegara optycznego nie uda się zaobserwować takich oscylacji, oznacza to, że siła interakcji ciemnej materii z materią jest znacznie mniejsza niż obecnie przyjmowana.

Ciemna materia – wizja artystyczna

Poszukiwania ciemnej materii prowadzone są w wielu laboratoriach na świecie. Cząstkami ciemnej materii mogą być hipotetyczne aksjony czy WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki) o masach sięgających 100 GeV. Jednak Amerykanie postanowili przyjrzeć się drugiemu krańcowi masy. Wykorzystali zegar optyczny do poszukiwania możliwych interakcji pomiędzy ciemną materią a materią przy masach znacznie poniżej 1 eV czyli o 500 000 razy mniejszych niż masa elektronu w czasie spoczynku.

Zegary optyczne to rodzaj zegarów atomowych. Wykorzystują one drgania atomów strontu. Częstotliwość ich pracy jest bezpośrednio związana z niektórymi stałymi fizycznymi, co pozwala dokonywać niezwykle precyzyjnych pomiarów ewentualnych zmian.

Optyczny zegar atomowy

Ye i jego zespół użyli więc zegara optycznego do poszukiwania jakichkolwiek zmian stałej struktury subtelnej (α), która opisuje siłę oddziaływań elektromagnetycznych. W tym celu porównali częstotliwość drgań atomu strontu z krzemową wnęką optyczną. Częstotliwość obu jest definiowana przez α oraz inną stałą fizyczną, masę spoczynkową elektronu (me).

Jednak w obu przypadkach zależności pomiędzy stałymi są różne, zatem ich stosunek do siebie pozwala na określenie ewentualnych zmian α. Używano już zegarów atomowych pracujących z częstotliwościami mikrofalowymi do określenia granic siły oddziaływania ciemnej materii. Nasza praca to pierwsza próba wykorzystania zegara optycznego do znalezienia oscylacji świadczących o istnieniu ciemnej materii, mówi Ye.

Naukowcy porównali więc częstotliwość wnęki optycznej do częstotliwości zegara optycznego i dodatkowo użyli też częstotliwości wodorowego masera. Co prawda urządzenie to nie pozwala na tak precyzyjne pomiary jak zegar optyczny, jednak bazuje on na innym stosunku częstotliwości do α i me, a dzięki porównaniu tych właściwości z danymi krzemowej wnęki można sprawdzać ewentualne oscylacje wartości me. O ile oscylacje wartości a wskazywałaby na oddziaływania pomiędzy ciemną materią a polem elektromagnetycznym, to oscylacje me ujawniłyby jej interakcje z elektronem.

Bardzo mały optyczny zegar atomowy

Wykorzystanie w pomiarach krzemowej wnęki optycznej pozwala dodatkowo skorzystać z jej stabilności. Większość takich wnęk jest wykonanych ze szkła, które jest nieuporządkowanym amorficznym ciałem stałym. Nowa generacja krzemowych wnęk optycznych wykonanych z pojedynczego kryształu krzemu utrzymywanego w temperaturach kriogenicznych powoduje, że są one o cały  rząd wielkości bardziej stabilne. To podstawowa zaleta naszej pracy, mówi Colin Kennedy, jeden z autorów badań.

Tak jak się spodziewano, nie zaobserwowano oscylacji podstawowych stałych fizycznych spowodowanych oddziaływaniem z ciemną materią. Oznacza to, że dla cząstek ciemnej materii o masie od 4,5 x 10-16 aż do 1 x 10-19 eV możliwa siła oddziaływań definiowana przez α jest nawet pięciokrotnie mniejsza niż obecnie zakładana. Dla stałej me i cząstek o masie 2 x 10-19 po 2 x 10-21 eV siła ta jest nawet 100-krotnie mniejsza.

Ze szczegółami można zapoznać się w pracy Precision Metrology Meets Cosmology: Improved Constraints on Ultralight Dark Matter from Atom-Cavity Frequency Comparisons

 

 

ŹródłoarXiv
5 1 vote
Article Rating