Атомні годинники на Землі можуть розкрити таємниці темної матерії у Всесвіті

Вчені використовують атомний годинник, щоб дослідити в лабораторії деякі з найбільших таємниць Всесвіту, зокрема природу темної матерії. У процесі вони кажуть, що переносять космологію та астрофізику «на Землю». Проєкт, який є результатом співпраці між Університетом Сассекса та Національною фізичною лабораторією (NPL) у Великобританії, використовує тики цих неймовірно точних годинників для полювання на досі невідомі надлегкі частинки. 

Ці частинки можуть бути пов’язані з темною матерією, таємничою речовиною, яка становить приблизно 85% усієї матерії у Всесвіті, але залишається фактично невидимою для нас, оскільки не взаємодіє зі світлом або, точніше, електромагнітним випромінюванням. Вчені вважають, що більшість галактик оточує хмара темної матерії, але про її присутність можна припустити лише за її впливом на гравітацію.

«Наш Всесвіт, яким ми його знаємо, керується законами фізики, тому гравітація керується загальною теорією відносності, а фізика елементарних частинок — Стандартною моделлю фізики елементарних частинок», — Ксав’єр Калмет, керівник проекту та професор фізики в Університеті Сассекса, повідомив Space.com. «Ми називаємо відхилення від цих законів «поломкою у фізиці» — по суті, це синонім нової фізики, що виходить за межі нашого поточного розуміння Всесвіту».

Ця нова фізика може бути використана для пояснення природи темної матерії, чогось не вписується в стандартну модель.

«Одна з найбільших загадок — це природа темної матерії. Ми знаємо, що вона існує, ми бачимо її вплив на наш Всесвіт, але у нас немає дійсного пояснення в рамках Стандартної моделі фізики елементарних частинок», — продовжив Калмет. «Повинна бути нова фізика, але ми не знаємо, як описати ці нові частинки та як вони з’єднуються зі звичайною матерією».

Як «нову фізику» можна помітити за допомогою атомних годинників?

Відповідно до встановлених законів фізики, годинник має йти з постійною швидкістю, але фізика, що виходить за межі стандартної моделі, призведе до крихітних зарядів на рівнях атомної енергії. Це мало б вплинути на швидкість, з якою цокають годинники, але варіація була б настільки малою, що її можна було б помітити лише за допомогою неймовірно точного годинника — і саме тут з’являються атомні годинники. 

«Атомні годинники переносять космологію та астрофізику на Землю, дозволяючи шукати надлегкі частинки, які могли б пояснити темну матерію в лабораторії», — сказав Калмет.

Атомний годинник вимірює час за допомогою атомів з двома потенційними енергетичними станами. Коли атоми поглинають енергію, вони переходять у вищий енергетичний стан. Потім, зрештою, вони вивільняють цю енергію і падають назад у свій нижчий основний стан. 

В атомних годинниках групи атомів готуються шляхом переведення їх у вищий енергетичний стан за допомогою мікрохвильової енергії, а характерні та послідовні швидкості, з якими вони вібрують між станами — їхні резонансні частоти — використовуються для точного вимірювання часу.

Так, наприклад, усі атоми цезію резонують з однаковою частотою, тобто стандартну міру секунди можна визначити як 9 192 631 770 циклів цезію. Оскільки цей цикл за секунду відбувається з набагато меншою варіацією, ніж, скажімо, коливання маятника, це робить атомний годинник неймовірно точним.

«Нещодавно було зрозуміло, що темна матерія може складатися з надлегких частинок, які дуже слабо взаємодіють зі звичайною матерією», — пояснив Калмет. «Якщо це так, то темна матерія, по суті, поводилася б як класична хвиля, яка взаємодіє з електронами та протонами. Ця хвиля темної матерії давала б невеликі удари цим частинкам».

Калмет додав, що ці удари надлегких частинок темної матерії до будівельних блоків атома призведуть до зміни в часі фундаментальних констант Всесвіту, таких як константа тонкої структури або «альфа» — показник того, наскільки сильні частинки з’єднуються. через електромагнітну силу — і масу протона. 

«Оскільки атомний годинник є неймовірно точним пристроєм, вони могли б виявити ці удари й таким чином виявити надлегку темну матерію», — продовжив він. «Порівнюючи два годинники, один чутливий до змін альфа-сигналу, а інший менш чутливий до змін альфа-сигналу, ми можемо отримати обмеження на зміну цієї фундаментальної константи в часі й, таким чином, встановити обмеження на надлегкі частинки».

Калмет вважає, що цю техніку потенційно можна використовувати для дослідження іншого проблематичного для фізиків аспекту Всесвіту: темної енергії, невідомої сили, яка спонукає до прискореного розширення космосу.

Хоча Кальмет визнає, що темна енергія швидше пояснюється космологічною константою, формою енергії, яка діє майже протилежно гравітації, розтягуючи тканину космосу та розштовхуючи галактики, існує невелика ймовірність, що вона може бути пов’язана з ультра- легка частинка. У цьому ключі майбутні годинники також можуть бути чутливими до цієї частинки та пов’язаної з нею хвилі.

«Хоча годинники не виявили нової фізики на даному етапі, ми змогли розробити нову теоретичну основу для дослідження загальної нової фізики за допомогою годинників і змогли вивести перші незалежні від моделі обмеження фізики за межі стандартної моделі в рамках цього підходу, – підсумував Кальмет. «Ми створюємо нову галузь на стику атомної, молекулярної та оптичної фізики та традиційної фізики елементарних частинок.  «Це захоплюючі результати!». Джерело