Сверхточная метрология приближается к темной материи

Оптические часы настолько точны, что, по оценкам, потребуется 20 миллиардов лет — больше, чем возраст Вселенной — чтобы они отстали или ушли вперед на секунду. Теперь исследователи из США во главе с группой Джун Йе из Национального института стандартов и технологий и Университета Колорадо использовали точность оптических часов и беспрецедентную стабильность своего оптического резонатора из кристаллического кремния, чтобы ужесточить ограничения на любые возможные связи между частицами и полями в стандартной модели физики и до сих пор неуловимыми компонентами темной материи.

Существование темной материи косвенно подтверждается гравитационными эффектами галактического и космологического масштабов, но помимо этого мало что известно о ее природе. Один из эффектов, который выпадает из теоретического анализа взаимодействия темной материи с частицами в стандартной модели физики, — это возникающие колебания фундаментальных констант.

Джун Йе и его сотрудники полагали, что если их метрологическое оборудование мирового класса не сможет обнаружить эти колебания, то этот очевидно нулевой результат будет полезным подтверждением того, что сила взаимодействия темной материи с частицами в стандартной модели физики должна быть даже ниже, чем она диктуется пока зарегистрированными ограничениями.

Предыдущие попытки найти прямые доказательства существования темной материи варьируются от лабораторных экспериментов до проектов огромных коллайдеров частиц, например, на Большом адронном коллайдере (БАК). Многие из этих усилий были направлены на поиск взаимодействий, например, со слабо взаимодействующими массивными частицами (WIMP), которые имеют массы, подобные атому серебра в диапазоне 100 ГэВ, или аксионами — гипотетической частицей, предназначенной для объяснения элементов физики элементарных частиц, и что могло бы соответствовать теориям темной материи.

Однако Джун Йе и его сотрудники использовали свои оптические часы и устройства резонатора, чтобы сосредоточить внимание на возможных взаимодействиях между темной материей и частицами на нижнем конце спектра масс, намного ниже 1 эВ, что в 500000 раз меньше массы электрона.

Оптические часы — это разновидность атомных часов. Первые атомные часы использовали сверхтонкие переходы в атомах цезия 133 — когда электроны в атоме цезия 133 переворачивают спин, возникающий в результате изменение энергии состояния атома, которая испускается в виде электромагнитного излучения с характерной частотой в микроволновом диапазоне.

Однако переходы между электронными орбиталями в атомах стронция приводят к изменениям энергии с гораздо более высокой соответствующей частотой в оптическом диапазоне, и теперь, когда была разработана технология для измерения этих переходов, стало возможно даже более точное измерение времени. Более того, частота оптических часов напрямую связана с некоторыми фундаментальными константами, обеспечивая путь к измерению потенциальных изменений этих величин с беспрецедентной точностью.

Ученые использовали свои оптические часы для поиска любых вариаций фундаментальной постоянной α, постоянной тонкой структуры, которая определяет силу взаимодействий между заряженными частицами и фотонами.

С этой целью они сравнили частоту атомов стронция, используемых в оптических часах, с их кристаллическим кремниевым резонатором — устройством, используемым в лазерах, которое позволяет электромагнитным волнам отражаться между противоположными отражающими поверхностями и создавать стоячую волну с характерной частотой, определяемой длиной резонатора. Частота обоих устройств определяется в терминах как α, так и me (еще одна фундаментальная постоянная, которая дает массу электрона), но с различными зависимостями, так что соотношение между двумя частотами обнаруживает любые изменения постоянной α.

«Люди использовали атомные часы на микроволновых частотах, чтобы ограничить пределы силы связи темной материи, но эта работа представит первые результаты по использованию оптических атомных часов для обеспечения ограничений на колебательную сигнатуру темной материи», — говорит Джун Йе.

Помимо сравнения частоты резонатора с тактовыми атомами, исследователи сравнили ее с частотой водородного мазера — микроволнового стандарта частоты, который генерирует излучение на основе переходов между различными электронными и ядерными спиновыми состояниями в атоме водорода.

Хотя водородный мазер не обеспечивает такой точности измерения времени, как оптические часы на основе стронция, энергетические переходы, на которых он основан, приводят к другому соотношению между частотой и константами α и me, так что отношение его частоты к частоте кристаллического кремниевого резонатора также обеспечивает зонд (частицу) для изменения значения me. В то время как колебания величины α указывают на взаимодействие между темной материей и электромагнитными полями, колебания в me указывают на взаимодействие с массой электрона.

Измеренные соотношения частот между резонатором и оптическими часами и водородным мазером также опираются на другое важное преимущество — стабильность кристаллического кремниевого резонатора.

«Большинство полостей сделаны из стекла, которое является неупорядоченным, аморфным твердым телом, которое имеет много размерного дрейфа и нестабильности», — объясняет Колин Кеннеди, исследователь из группы Йе и первый автор в отчете об этих результатах, подчеркивая преимущество использования полости, состоящей из одного большого монокристалла кремния. «Это новое поколение полостей сделано из монокристаллов кремния и также выдерживается при криогенных температурах, что делает их на порядок более стабильными. Это ключевое преимущество нашей работы.»

Приближаясь к темной материи

Хотя (как и ожидалось) исследователи не наблюдали колебаний фундаментальных констант из-за взаимодействий с темной материей, их данные сузили диапазон возможных значений параметров этого взаимодействия.

«Для частиц темной материи с массами в диапазоне от 4,5 × 10^-16 до 1 × 10^-19 эВ возможная сила взаимодействий темной материи, определенная α, ограничивается этими результатами еще в пять раз, а те определенные ограничены в 100 раз для масс от 2 × 10^–19 до 2 × 10^–21 эВ».

Ключевым преимуществом этого двухчастичного сравнения соотношений является различная чувствительность к изменению во времени как постоянной тонкой структуры, так и массы электрона, что позволяет существенно улучшить предел модулей сверхлегкой темной материи, особенно при более высоких массах, чем у обычных атомных спектроскопов. полученные результаты.

Кроме того, ученые демонстрируют расширение диапазона поиска до еще более высоких масс за счет использования методов динамической развязки. Эти результаты подчеркивают важность использования наиболее эффективных атомных часов для приложений фундаментальной физики, поскольку полностью оптические шкалы времени все больше интегрируются с существующими шкалами времени микроволнового излучения и в конечном итоге будут вытеснять их.

Colin J. Kennedy et al. Precision metrology meets cosmology: Improved constraints on ultralight dark matter from atom-cavity frequency comparisons, Physical Review Letters, Accepted Manuscript. journals.aps.org/prl/accepted/ … 5e3b7a288ddee8f5ad29 arxiv.org/abs/2008.08773