Темная материя и ядерные часы: новый этап поиска
Почти столетие ученые пытаются разгадать одну из самых загадочных тайн мироздания — природу темной материи. Эта невидимая субстанция, составляющая около 80% массы Вселенной, не испускает, не поглощает и не отражает свет, но ее гравитационное влияние очевидно: без нее невозможно объяснить движение галактик, структуру космоса и даже само существование видимой материи. Несмотря на десятилетия экспериментов — от подземных детекторов до коллайдеров — темная материя остается неуловимой.
Но теперь у науки появился новый инструмент для ее поиска — ядерные часы, основанные на колебаниях атомного ядра. В отличие от обычных атомных часов, использующих электроны, ядерные часы гораздо стабильнее и менее подвержены внешним помехам. А если темная материя действительно пронизывает Вселенную, ее слабое взаимодействие с ядрами может оставить едва заметный след в их резонансных частотах.
Особую надежду ученые возлагают на торий-229 — редкий изотоп с уникально низкой энергией возбуждения ядра. В 2023 году физики из Германии и США совершили прорыв, впервые измерив его резонансную частоту с беспрецедентной точностью. Исследователи из Института Вейцмана, вдохновленные этим открытием, предложили революционный метод: использовать спектроскопию тория-229 для поиска отклонений, вызванных темной материей. Их расчеты показывают, что даже если ее влияние в 100 миллионов раз слабее гравитации, будущие ядерные часы смогут его уловить.
Торий-229: квантовый маятник для темной материи
Ключевая идея метода основана на том, что ядро тория-229 может переключаться между основным и возбужденным состояниями под воздействием лазера. Если темная материя существует, она должна крайне слабо, но постоянно влиять на массу ядер, вызывая микроскопические сдвиги в их резонансных частотах. Современные атомные часы не способны уловить такие отклонения из-за электрических помех, но ядерные часы, защищенные от внешних воздействий, могут стать идеальным детектором.
Группа профессора Гилада Переса рассчитала, как различные модели темной материи должны влиять на спектр поглощения тория-229. Их подход не ограничивается поиском сдвигов частоты — вместо этого ученые предлагают анализировать изменения во всей форме спектра, что значительно повышает шансы на обнаружение. Если эксперименты подтвердят теорию, человечество впервые получит данные о массе и свойствах частиц темной материи.
Будущее ядерных часов и новые горизонты физики
Создание рабочего прототипа ядерных часов — сложная задача, требующая дальнейшего повышения точности измерений. Однако их потенциальное значение выходит далеко за рамки поиска темной материи. Такие часы могут революционизировать системы GPS, квантовую связь и даже проверку фундаментальных физических констант на предмет их неизменности во времени.
«Мы находимся на пороге нового этапа в изучении темной материи, — говорит доктор Вольфрам Ратцингер. — Если наши расчеты верны, ядерные часы позволят обнаружить силы, в 10 триллионов раз слабее гравитации, что в 100 000 раз превосходит текущую чувствительность детекторов».
Пока лаборатории продолжают совершенствовать технологии, теоретики готовятся к возможному открытию. Темная материя, столетие ускользавшая от ученых, наконец может оказаться в пределах досягаемости — благодаря крошечному ядру тория и квантовым часам, способным услышать шепот невидимой Вселенной.