Jaderná hodina mohou odemknout tajemství temné hmoty

Pro všechny naše dalekohledy a kolidy zůstala temná hmota nepolapitelným duchem po lepší část století. Převažuje nad všemi, co vidíme za faktor pěti, přesto proklouzne kolem každého detektoru postaveného, ​​aby jej chytil. Nyní se tým vedený Weizmann Institute of Science s spolupracovníky v Německu a Coloradu obrátil na jaderné hodiny s nadějí na odhalení slabých otisků prstů této skryté hmoty.

V jejich srdcích se současné jaderné hodiny spoléhají na Thorium-229, izotop s nejnižší známou excitační energií v jakémkoli atomovém jádru. Thorium-229, který byl poprvé identifikován v roce 1976, má rezonanci tak neobvykle nízkou, že je jádro přístupné laserové spektroskopii, což doposud žádný jiný prvek nenabízí. Tato neobvykle nízká rezonance způsobuje, že jaderné hodiny jedinečně vyhovují časoměřiči v jaderném měřítku a odlišuje je od jejich atomových bratranců.

Tam, kde atomové hodiny měří dobu sledováním elektronů, které se posunují mezi kvantovými stavy excitovanými mikrovlnným oscilátorem, se jaderné hodiny otáčejí dovnitř a měří přechody v samotném jádru. Protože protony a neutrony jsou chráněny před mnoha poruchami prostředí, tyto přechody mohou nést jemný otisk temné hmoty.

Spárováním atomových a jaderných hodin vedle sebe mohou fyzici sledovat drobné variace ve svých časových podpisech, které by mohly zradit přítomnost temné hmoty.

„Ve vesmíru tvořeném pouze viditelnou hmotou by absorpční spektrum jakéhokoli materiálu zůstalo konstantní,“ říká Prof. Gilad Perez z Weizmann Institute of Science. „Ale protože nás obklopuje temná hmota, její vlna podobná povahy může jemně změnit hmotnost atomových jádra a způsobit dočasné posuny v jejich absorpčním spektru.“

Proměnit tuto myšlenku na test vyžadoval vzácné úsilí o křížovou laboru.

Abych to sondoval, tým Weizmannů se připojil k kolegům na University of Colorado a německý národní metrologický institut, PTB. Analyzovali spektra Thorium-229 z obou laboratoří a modelovali, jak by tmavá hmota mohla zkreslit jadernou lineshape-v podstatě podrobný profil intenzity signálu napříč frekvencemi. Nezáleží na tom jen na vrcholu, ale celý tvar, který může nést jemné podpisy skrytých sil.

Porovnáním toho, co měřili s teoretickými modely, byl tým schopen stanovit první experimentální limity prostřednictvím lineshape analýzy o tom, jak by se ultralehká temná hmota mohla spojit s jadernou hmotou. Tyto limity stanovily jeviště. Ale tlačení dále jde dolů k zaostření samotného signálu.

Spektra Thorium-229 použitá v této studii měla šířku šířky asi 20 gigahertzů, považovaných za široké ve srovnání se signály tenkými břitvami potřebnými k prozkoumání tmavé hmoty. Nedávné experimenty to již zúžily na 300 Kilohertz a nadcházející práce by ji mohla zmenšit dále na stovky Hertzu.

To je skok o osmi řádových řádech, od horského rozostření až po něco blíže k laserovému ukazateli. S tímto druhem zúžení se předpokládá, že jaderná hodina překonají atomové hodiny jako nejcitlivější nástroje pro sondování ultralehké temné hmoty.

Potenciální dosah je ohromující. Plně rozvinuté jaderné hodiny by byly „schopné snímat síly 10 bilionů slabší než gravitace, se 100 000násobkem řešení dnešních vyhledávání temné hmoty,“ uvádí tým. V praxi to znamená otevření obrovského nového okna pro neprozkoumanou fyziku, sondování interakcí dříve daleko za uchopení jakéhokoli laboratorního nástroje.

Přestože ještě není tak přesné jako současné atomové hodiny, experiment již stanovil půdu pro jeden z nejcitlivějších detektorů temné hmoty, jaký si kdy představoval. Dosažení této citlivosti znamená pohlédnout za osamělou rezonanci k plnému jadernému lineshape.

„Naše výpočty ukazují, že nestačí hledat posuny pouze v rezonanční frekvenci,“ poznamenává Dr. Wolfram Ratzinger, spoluautor studie. „Musíme identifikovat změny v celém absorpčním spektru, abychom zjistili účinek temné hmoty. Přestože jsme tyto změny ještě nenašli, položili jsme základy, abychom jim porozuměli, když se objeví.“

Prozatím zůstává temná hmota nepolapitelná, duch na pozadí galaxií i laboratoří. Samotná pronásledování však podtrhuje vynalézavost moderní fyziky. Ten, který by nakonec mohl transformovat, jak lidstvo naviguje Země a prostor, posiluje globální komunikaci a sondujte skryté zákony reality.

Tato studie byla zveřejněna v Fyzická recenze X.

Zdroj: Weizmann Institute of Science