Старые атомные часы, работающие на микроволновых частотах, и раньше охотились за темной материей, но это первый раз, когда новые часы, работающие на более высоких оптических частотах, и сверхстабильный генератор, обеспечивающий устойчивые световые волны, были использованы для установления более точных границ. в поисках. Исследование описано в Physical Review Letters .
Астрофизические наблюдения показывают, что темная материя составляет большую часть «вещества» во Вселенной, но до сих пор ее не удалось уловить. Исследователи по всему миру искали его в различных формах.
Команда JILA сосредоточилась на сверхлегкой темной материи, которая теоретически имеет крошечную массу (намного меньше, чем у одного электрона) и огромную длину волны – насколько далеко распространяется частица в космосе – которая может быть размером с карликовые галактики. Этот тип темной материи будет связан гравитацией с галактиками и, следовательно, с обычной материей.
Ожидается, что сверхлегкая темная материя будет создавать крошечные флуктуации двух фундаментальных физических «констант»: массы электрона и постоянной тонкой структуры.
Команда JILA использовала часы на решетке стронция и водородный мазер (микроволновая версия лазера), чтобы сравнить их хорошо известные оптические и микроволновые частоты, соответственно, с частотой света, резонирующего в сверхстабильной полости, сделанной из монокристалла. чистого кремния. Результирующие соотношения частот чувствительны к изменениям во времени обеих констант.
Относительные флуктуации соотношений и констант могут использоваться в качестве датчиков для связи космологических моделей темной материи с общепринятыми физическими теориями.
Команда JILA установила новые пределы для пола для "нормальных" флуктуаций, за пределами которых любые необычные сигналы, обнаруженные позже, могут быть связаны с темной материей. Исследователи ограничили силу связи сверхлегкой темной материи с массой электрона и постоянной тонкой структуры порядка 10-5 (1 из 100000) или меньше, что является наиболее точным измерением этого значения.
JILA находится в ведении Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере.
«На самом деле никто не знает, на каком уровне чувствительности вы начнете видеть темную материю при лабораторных измерениях», – сказал сотрудник NIST / JILA Джун Йе. "Проблема в том, что физика в том виде, в каком мы ее знаем, на данный момент еще не совсем завершена. Мы знаем, что чего-то не хватает, но пока не знаем, как это исправить."
«Мы знаем, что темная материя существует из астрофизических наблюдений, но мы не знаем, как темная материя связана с обычной материей и величинами, которые мы измеряем», – добавил Йе. "Эксперименты, подобные нашему, позволяют нам проверять различные теоретические модели, которые люди собирают, чтобы попытаться изучить природу темной материи. Устанавливая все более и более точные границы, мы надеемся исключить некоторые неверные теоретические модели и в конечном итоге сделать открытие в будущем."
Ученые не уверены, состоит ли темная материя из частиц или осциллирующих полей, влияющих на местную среду, отметил Йе. По его словам, эксперименты JILA нацелены на обнаружение "притягивающего" эффекта темной материи на обычную материю и электромагнитные поля.
Атомные часы являются основными датчиками темной материи, потому что они могут обнаруживать изменения фундаментальных констант и быстро улучшаются в точности, стабильности и надежности.
Стабильность резонатора также была решающим фактором в новых измерениях. Резонансная частота света в полости зависит от длины полости, которую можно проследить до радиуса Бора (физическая константа, равная расстоянию между ядром и электроном в атоме водорода). Радиус Бора также связан со значениями постоянной тонкой структуры и массы электрона.
Следовательно, изменения резонансной частоты по сравнению с частотами переходов в атомах могут указывать на флуктуации этих констант, вызванные темной материей.
Исследователи собрали данные о соотношении частот стронция / резонатора в течение 12 дней с часами, работающими 30% времени, в результате чего был получен набор данных длиной 978041 секунда. Данные водородного мазера охватили 33 дня, при этом мазер работал 94% времени, что привело к рекорду в 2826942 секунды.
Отношение частот водорода к резонатору обеспечивало полезную чувствительность к массе электронов, хотя мазер был менее стабильным и производил более шумные сигналы, чем стронциевые часы.
Исследователи JILA собрали данные поиска темной материи во время недавней демонстрации улучшенной шкалы времени – системы, которая объединяет данные с нескольких атомных часов для создания единого высокоточного сигнала хронометража для распределения.
По мере того, как в будущем производительность атомных часов, оптических резонаторов и шкал времени улучшается, соотношения частот можно будет пересмотреть с еще более высоким разрешением, что еще больше расширит возможности поиска темной материи.
«Каждый раз, когда кто-то использует оптическую атомную шкалу времени, есть шанс установить новую границу или сделать открытие темной материи», – сказал Йе. «В будущем, когда мы сможем вывести эти новые системы на орбиту, это будет самый большой« телескоп », когда-либо построенный для поиска темной материи."
Финансирование было предоставлено NIST, Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов и Национальным научным фондом.