Cверхточные атомные часы могут помочь обнаружить темную материю

Точное измерение времени — одна из самых фундаментальных задач в физике, которая может помочь высадиться на Марсе или даже наблюдать темную материю. Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) и Университета штата Делавэр разработали самые точные атомные часы, используя «паутину» света для улавливания и возбуждения рассеянного облака холодных атомов стронция.

«Эти часы настолько точны, что могут обнаруживать мельчайшие эффекты, предсказанные такими теориями, как общая теория относительности, даже в микроскопическом масштабе», — говорит Джун Йе, физик из лаборатории Объединенного института лабораторной астрофизики NIST (JILA) в Университете Колорадо. «Они расширяют границы возможностей хронометража».

При общей систематической точности 8,1 х 10 ^-19 стронциевые часы в два раза точнее предыдущего рекордсмена.

NIST — это место, где исследователи занимаются разработкой технологий для повышения точности глобальных стандартных измерений, таких как международная единица измерения времени — секунда.

Если твердый блок материала можно использовать для представления единицы массы, то у времени нет постоянного физического свойства, к которому мы могли бы вернуться для последовательного измерения. Вместо этого мы полагаемся на закономерности, которые повторяются надежным образом, например вращение Земли, качание маятника или «жужжание» наэлектризованного кусочка кварца.

Каким бы предсказуемым ни было каждое из них, даже вращение Земли постепенно меняется. Обнаружение закономерностей в природе, которые можно измерить способами, варьирующимися в минимальной степени, приведет к еще более точным измерениям времени.

Одной из таких закономерностей является дрожание возбужденных электронов, окружающих атом. Например, стандартная секунда определяется «прыжком» определенных электронов, вращающихся вокруг атома цезия. Заряженные микроволнами определенной частоты, они переходят в более высокие энергетические состояния и снова опускаются 9 192 631 770 раз в секунду.

Лучшие на сегодняшний день атомные цезиевые часы, впервые разработанные в 1955 году и с тех пор усовершенствованные, показывают время с погрешностью до одной триста миллионной секунды в год. Для сравнения, обычные кварцевые наручные часы теряют или прибавляют около 180 секунд (или 3 минуты) каждый год.

Однако ученые рассматривают возможность переопределения секунды в следующем десятилетии, поскольку технологии атомных часов быстро развиваются. За последние два десятилетия атомные часы, которые возбуждают атомы или ионы с более короткими длинами волн света, чем микроволны, вышли на первый план, установив рекорды стабильности и точности.

Эти новые атомные часы, разработанные физиком JILA Александром Эппли и его коллегами, на атомном уровне опережают предыдущие лучшие часы на оптической решетке, которые Джун Йе и его коллеги из JILA помогли разработать в 2019 году.

«Они устанавливают эталон точности всех оптических часов, представленных на сегодняшний день», — пишут ученые в своем препринте, описывая новые часы.

В одномерной «паутине» лазерного света часы задерживают десятки тысяч атомов стронция, обеспечивая более высокий уровень точности. Мелкая «паутина» света, работающая в вакууме на тонком слое сверххолодных атомов стронция, также минимизирует ошибки за счет уменьшения дестабилизирующего эффекта от столкновения лазеров и атомов.

Ожидается, что благодаря такой точности часы будут терять всего одну секунду каждые 30 миллиардов лет, что может помочь космическим путешественникам следить за временем на огромных расстояниях.

«Если мы хотим посадить космический корабль на Марс с высокой точностью, нам понадобятся часы, которые будут на несколько порядков более точными, чем те, которые мы имеем сегодня в GPS», — говорят исследователи . «Эти новые часы — важный шаг на пути к тому, чтобы это стало возможным».

Все более точные часы могут также регистрировать крошечные отклонения в колебаниях атомов, которые могут сигнализировать о слабом взаимодействии с темной материей или о релятивистском притяжении гравитации.

«Каждый выигрыш в стабильности и точности открывает новые области исследований, такие как определение границ темной материи [или] исследование общей теории относительности», — пишут ученые .

Но могут быть и другие способы достичь этих новых рубежей, помимо оптических атомных часов. Исследователи также экспериментировали с использованием квантовой запутанности для измерения времени и возбуждением атомных ядер, а не целых атомов, с помощью лазеров, что можно было бы использовать для создания более стабильных устройств для измерения времени.

Исследование было опубликовано на сервере препринтов arXiv перед его публикацией в рецензируемом журнале Physical Review Letters.