Optische klokken zijn zo nauwkeurig dat het naar schatting 20 miljard jaar zou duren - langer dan de leeftijd van het heelal - om een ​​seconde te verliezen of te winnen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers in de VS onder leiding van Jun Ye's groep bij het National Institute of Standards and Technology en de University of Colorado hebben de precisie en nauwkeurigheid van hun optische klok en de ongekende stabiliteit van hun kristallijne silicium optische holte uitgebuit om de beperkingen op elke mogelijke koppeling aan te scherpen tussen deeltjes en velden in het standaardmodel van de fysica en de tot nu toe ongrijpbare componenten van donkere materie.

Het bestaan ​​van donkere materie blijkt indirect uit zwaartekrachtseffecten op galactische en kosmologische schalen, maar verder, er is weinig bekend over de aard ervan. Een van de effecten die voortvloeien uit de theoretische analyse van de koppeling van donkere materie aan deeltjes in het standaardmodel van de fysica, is een resulterende oscillatie in fundamentele constanten. Ye en medewerkers dachten dat als hun metrologische apparatuur van wereldklasse deze trillingen niet zou kunnen detecteren, dan zou dit schijnbaar nulresultaat een nuttige bevestiging zijn dat de sterkte van de interacties van donkere materie met deeltjes in het standaardmodel van de fysica zelfs lager moet zijn dan gedicteerd door de beperkingen die tot nu toe zijn vastgelegd.

Fundamentele constante waarden klokken

Eerdere pogingen om direct bewijs van donkere materie vast te stellen, variëren van laboratoriumexperimenten tot enorme deeltjesversnellerprojecten, zoals die bij de Large Hadron Collider (LHC). Veel van deze inspanningen hebben gezocht naar interacties met, bijvoorbeeld, zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP's), die een massa hebben die vergelijkbaar is met die van een zilveratoom in het bereik van 100 GeV, of axions - een verondersteld deeltje bedoeld om elementen van deeltjesfysica te verklaren, en die zouden kunnen passen bij theorieën over donkere materie. Echter, Ye en zijn medewerkers gebruikten hun optische klok en holte-apparaten om inzicht te krijgen in mogelijke interacties tussen donkere materie en deeltjes aan de onderkant van het massaspectrum ver onder 1 eV, dat is 500, 000 keer kleiner dan de massa van een elektron in rust.

Optische klokken zijn een soort atoomklok. De eerste atoomklokken maakten gebruik van hyperfijne overgangen in atomen van cesium 133 - wanneer de elektronen in het cesium 133-atoom omdraaien, de resulterende verandering in de energie van de toestand van het atoom wordt uitgezonden als elektromagnetische straling met een karakteristieke frequentie in het microgolfbereik. Echter, de overgangen tussen elektronenorbitalen in strontiumatomen leiden tot energieveranderingen met een veel hogere corresponderende frequentie in het optische bereik, en nu de technologie is ontwikkeld om deze overgangen te meten, een nog nauwkeurigere tijdregistratie is mogelijk. Wat is meer, de frequentie van optische klokken is direct gerelateerd aan bepaalde fundamentele constanten, een route bieden om de potentiële variaties van deze hoeveelheden met ongekende nauwkeurigheid te meten.

Ye en medewerkers gebruikten hun optische klok om te zoeken naar variaties in de fundamentele constante α, de fijne structuurconstante, die de sterkte van interacties tussen geladen deeltjes en fotonen definieert. Hiertoe, ze vergeleken de frequentie van de strontiumatomen die in de optische klok worden gebruikt met hun kristallijne siliciumholte, een apparaat dat wordt gebruikt in lasers waarmee elektromagnetische golven tussen tegenover elkaar liggende reflecterende oppervlakken kunnen stuiteren en een staande golf kunnen creëren met een karakteristieke frequentie die wordt bepaald door de lengte van de holte. De frequentie van beide apparaten wordt gedefinieerd in termen van zowel α als m _e (een andere fundamentele constante die de massa van het elektron geeft) maar met verschillende afhankelijkheden, zodat de verhouding tussen de twee frequenties eventuele variaties in de constante α onthult.

"Mensen hebben atoomklokken op microgolffrequenties gebruikt om de limieten van de koppelingssterkte van donkere materie te beperken, maar dit werk zou de eerste resultaten zijn van het gebruik van optische atoomklokken om beperkingen op te leggen aan de oscillerende handtekening van donkere materie, " zegt Je.

Naast het vergelijken van de holtefrequentie met de klokatomen, de onderzoekers vergeleken het met de frequentie van een waterstofmaser - een microgolffrequentiestandaard die straling genereert op basis van overgangen tussen verschillende elektronische en nucleaire spintoestanden in het waterstofatoom. Hoewel de waterstofmaser de tijd niet zo nauwkeurig bijhoudt als de op strontium gebaseerde optische klok, de energietransities waarop het is gebaseerd leiden tot een andere relatie tussen frequentie en de constanten α en m _e, zodanig dat de verhouding van zijn frequentie met die van de kristallijne siliciumholte een sonde verschaft voor variaties in de waarde van m _e , ook. Terwijl oscillaties in de waarde van α zouden wijzen op interacties tussen donkere materie en elektromagnetische velden, oscillaties in m _e interacties met de elektronenmassa zou onthullen.

De gemeten frequentieverhoudingen tussen de holte en zowel de optische klok als de waterstofmaser putten ook uit een ander cruciaal voordeel:de stabiliteit van de kristallijne siliciumholte. "De meeste holtes zijn gemaakt van glas, wat een wanordelijke, amorfe vaste stof met veel dimensionale drift en instabiliteit, " legt Colin Kennedy uit, een onderzoeker in Ye's groep en eerste auteur in het rapport van deze resultaten, benadrukt het voordeel van het gebruik van een holte die bestaat uit één groot eenkristal van silicium. "Deze nieuwe generatie holtes is gemaakt van eenkristallen van silicium en wordt ook bij cryogene temperaturen bewaard, waardoor ze ordes van grootte stabieler worden. Dat is het belangrijkste voordeel van ons werk."

Dichtbij donkere materie

Hoewel (zoals verwacht) de onderzoekers geen oscillaties in de fundamentele constanten waarnamen als gevolg van interacties met donkere materie, hun gegevens vernauwden het bereik van mogelijke waarden die de parameters van deze interactie zouden kunnen hebben. Voor donkere materiedeeltjes met massa's in het bereik van 4,5 × 10 ⁻¹⁶ tot 1 × 10 ⁻¹⁹ eV, de mogelijke sterkte van donkere materie-interacties gedefinieerd door α wordt beperkt door een verdere factor van maximaal vijf door deze resultaten, en die gedefinieerd door m _e worden beperkt tot een factor 100 voor massa's tussen 2 × 10 ⁻¹⁹ en 2 × 10 ⁻²¹ eV.

"Het idee om een ​​optische holteresonantiefrequentie te gebruiken om te vergelijken met een atomaire frequentie werd voor het eerst voorgesteld in een e-mailuitwisseling tussen mij en Prof. Victor Flambaum, "Je vertelt phys.org, herinnerend aan hun uitwisseling rond 2015. Terwijl Flambaum heel snel een paper schreef waarin de basisideeën werden beschreven die ze bespraken, Ye zegt dat hij "de experimentele resultaten wilde zien. En hier zijn we dan."

© 2020 Wetenschap X Netwerk