Senesniais atominiais laikrodžiais, veikiančiais mikrobangų dažniu, tamsiosios materijos jau ieškota, tačiau dabar tam panaudotas naujas, optiniame dažnyje veikiantis laikrodis, su ultrastabiliu osciliatoriumi užtikrinančiu stabilias šviesos bangas. Taip nubrėžtos tikslesnės paieškų ribos.
JILA tyrėjai pažangiausiu atominiu laikrodžiu susiaurino efemeriškosios tamsiosios medžiagos paieškas – nuolatinis laikrodžių tobulinimas ne tik padeda nevėluoti.
© Credit: N. Hanacek/NIST
Senesniais atominiais laikrodžiais, veikiančiais mikrobangų dažniu, tamsiosios materijos jau ieškota, tačiau dabar tam panaudotas naujas, optiniame dažnyje veikiantis laikrodis, su ultrastabiliu osciliatoriumi užtikrinančiu stabilias šviesos bangas. Taip nubrėžtos tikslesnės paieškų ribos. Tyrimas aprašytas Physical Review Letters.
Astrofizikiniai stebėjimai rodo, kad tamsioji materija sudaro didžiąją dalį Visatos „tirštimo“, bet jos apčiuopti kol kas nepavyko. Tyrėjai visame pasaulyje ieško įvairiausių jos formų. JILA komanda dėmesį sutelkė į ultralengvą tamsiąją materiją, kurios masė pagal teoriją itin maža (daug mažesnė už elektrono), o bangos ilgis — kaip plačiai dalelė pasklidusi erdvėje — gali būti nykštukinės galaktikos dydžio. Tokio tipo tamsiąją materiją gravitacija saistytų su galaktikomis, taigi, ir su įprasta materija.
Manoma, kad ultralengva TM sukelia mažas dviejų fundamentalių fizikos „konstantų“ fluktuacijas: elektrono masės ir smulkiosios struktūros konstantos. JILA komanda stroncio gardelės laikrodžiu ir vandenilio mazeriu (mikrobanginė lazerio versija) palygino gerai žinomus optinius ir mikrobangų dažnius su dažniu šviesos, rezonuojančios ultrastabilioje gryno silicio kristalo ertmėje. Gaunamas dažnių santykis jautrus abiejų konstantų svyravimams. Atitinkamos santykių ir dažnių fluktuacijos gali pasitarnauti kaip jutikliai, jungiantys kosmologinius tamsiosios materijos modelius su priimtomis fizikos teorijomis.
JILA komanda nustatė naujas „normalių“ fluktuacijų ribas, už kurių bet kokie neįprasti signalai galėtų rastis dėl tamsiosios materijos. Tyrėjai nubrėžė ultralengvos TM poveikio elektrono masei ir smulkiosios struktūros konstantai lygį kaip 10⁻⁵ (1 iš 100 000) ar mažesnį, ir tai kol kas tiksliausias šios vertės išmatavimas.
JILA yra jungtinis Nacionalinio standartų ir technologijos instituto (National Institute of Standards and Technology – NIST) bei Kolorado universiteto Boulderyje darbas.
„Iš tiesų niekas nežino, kokiame jautrumo lygyje laboratorinėmis sąlygomis ims matytis tamsioji materija, – sakė Jun Ye iš NIST/JILA. – Problema kyla, nes dabartinė fizika šioje vietoje nėra išbaigta. Žinome, kad kažko trūksta, tačiau dar tiksliai nežinome, kaip tai pataisyti.“
„Astrofizikiniai stebėjimai rodo, kad tamsioji materija egzistuoja, bet nežinome, kaip tamsioji materija siejasi su įprasta materija ir mūsų matuojamais dydžiais, – pridūrė Ye. – Tokiais eksperimentais, kaip mūsų galima patikrinti įvairius teorinius modeliu, kuriais bandoma išsiaiškinti tamsiosios materijos prigimtį. Vis geriau nubrėždami ribas, tikimės atmesti kai kuriuos neteisingus teorinius modelius ir galiausiai ją atrasti.“
Mokslininkai nėra užtikrinti, ar tamsioji materija yra iš dalelių ar iš lokalią aplinką veikiančių osciliuojančių laukų, pažymėjo Ye. JILA eksperimentais tikimasi aptikti tamsiosios materijos „traukimo“ efektą įprastinei medžiagai ir elektromagnetiniams laukams, sakė jis.
Atominiai laikrodžiai yra tinkamiausi tamsiosios materijos zondai, nes jais galima aptikti fundamentalių konstantų pokyčius, o ir jų tikslumas, stabilumas ir patikimumas sparčiai tobulėja. Ertmės stabilumas naujuosiuose matavimuose irgi buvo svarbus faktorius. Šviesos rezonansinis dažnis ertmėje priklauso nuo ertmės ilgio, kurį galima išmstuoti Boro radiusais (fizikinė konstanta, lygi atstumui tarp vandenilio atomo branduolio ir elektrono. Boro radiusas yra susijęs ir su smulkiosios struktūros konstanta bei elektrono mase. Taigi, rezonansinio dažnio pokyčiai, lyginant su atomų pereinamaisiais dažniais, gali rodyti tamsiosios materijos sukeliamas šių konstantų fluktuacijas.
Tyrėjai 12 dienų rinko stroncio laikrodžio ir ertmės dažnio santykio duomenis, naudodami laikrodį 30 % šio laiko ir gavo 978 041 sekundės ilgio duomenis. Vandenilio mazerio duomenys truko 33 dienas, o mazeris veikė 94 % šio laiko, sukaupdamas 2 826 942 sekundes įrašo. Vandenilio/ertmės dažnių santykis suteikė reikiamą elektrono masės nustatymo tikslumą, nors mazeris buvo ne toks stabilus ir jo signaluose buvo daugiau triukšmo, nei stroncio laikrodžio.
JILA tyrėjai tamsiosios materijos paieškų duomenis surinko neseniai demonstruodami patobulintas laiko svarstykles — sistemą, apjungiančią kelių atominių laikrodžių duomenis į vieną itin tikslų laiko signalą. Ateityje patobulinus atominius laikrodžius, optines ertmes ir laiko svarstykles, dažnių santykiai galės būti patikrinti dar didesne raiška, dar patikslinant tamsiosios materijos paieškos lauką.
„Kaskart, kai veikia optinės atominio laiko svarstyklės, yra tikimybė nustatyti naujas ribas ar atrasti tamsiąją materiją, – pažymėjo Ye. – Ateityje, kai galėsime šias naujas sistemas iškelti į orbitą, tai bus didžiausias „teleskopas“ tamsiosios materijos paieškoms.“
National Institute of Standards and Technology / scitechdaily.com
Nuoroda: „Precision Metrology Meets Cosmology: Improved Constraints on Ultralight Dark Matter from Atom-Cavity Frequency Comparisons“ by Colin J. Kennedy, Eric Oelker, John M. Robinson, Tobias Bothwell, Dhruv Kedar, William R. Milner, G. Edward Marti, Andrei Derevianko and Jun Ye, 12 November 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.201302
