JILA-onderzoekers hebben een ultramoderne atoomklok gebruikt om de zoektocht naar ongrijpbare donkere materie te beperken, een voorbeeld van hoe voortdurende verbeteringen in klokken waarde hebben die verder gaat dan tijdwaarneming.

Oudere atoomklokken die op microgolffrequenties werken, hebben eerder op donkere materie gejaagd, maar dit is de eerste keer dat een nieuwere klok, werken bij hogere optische frequenties, en een ultrastabiele oscillator om stabiele lichtgolven te garanderen, zijn gebruikt om preciezere grenzen te stellen aan de zoektocht. Het onderzoek is beschreven in Fysieke beoordelingsbrieven .

Astrofysische waarnemingen tonen aan dat donkere materie het grootste deel van de "spul" in het universum vormt, maar tot nu toe is het niet vastgelegd. Onderzoekers over de hele wereld hebben er in verschillende vormen naar gezocht. Het JILA-team richtte zich op ultralichte donkere materie, die in theorie een piepkleine massa heeft (veel minder dan een enkel elektron) en een gigantische golflengte - hoe ver een deeltje zich in de ruimte verspreidt - die zo groot zou kunnen zijn als de grootte van dwergstelsels. Dit type donkere materie zou door de zwaartekracht gebonden zijn aan sterrenstelsels en dus aan gewone materie.

Ultralichte donkere materie zal naar verwachting kleine fluctuaties veroorzaken in twee fundamentele fysieke "constanten":de massa van het elektron, en de fijnstructuurconstante. Het JILA-team gebruikte een strontiumroosterklok en een waterstofmaser (een microgolfversie van een laser) om hun bekende optische en microgolffrequenties te vergelijken. respectievelijk, op de frequentie van licht dat resoneert in een ultrastabiele holte gemaakt van een enkel kristal van puur silicium. De resulterende frequentieverhoudingen zijn gevoelig voor variaties in de tijd in beide constanten. De relatieve fluctuaties van de verhoudingen en constanten kunnen worden gebruikt als sensoren om kosmologische modellen van donkere materie te verbinden met geaccepteerde natuurkundige theorieën.

Het JILA-team heeft nieuwe limieten vastgesteld op een bodem voor "normale" fluctuaties, waarboven eventuele ongebruikelijke signalen die later worden ontdekt, te wijten kunnen zijn aan donkere materie. De onderzoekers beperkten de koppelingssterkte van ultralichte donkere materie met de elektronenmassa en de fijnstructuurconstante in de orde van 10. ^-5 of minder, de meest nauwkeurige meting ooit van deze waarde.

JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

"Niemand weet eigenlijk op welk gevoeligheidsniveau je donkere materie gaat zien in laboratoriummetingen, "NIST/JILA-collega Jun Ye zei. "Het probleem is dat de natuurkunde zoals we die kennen op dit moment nog niet helemaal compleet is. We weten dat er iets ontbreekt, maar we weten nog niet goed hoe we dit moeten oplossen."

"We weten dat donkere materie bestaat uit astrofysische waarnemingen, maar we weten niet hoe de donkere materie verbonden is met gewone materie en de waarden die we meten, "Je voegde eraan toe. "Experimenten zoals de onze stellen ons in staat om verschillende theoriemodellen te testen die mensen hebben samengesteld om te proberen de aard van donkere materie te onderzoeken. Door steeds betere grenzen te stellen, we hopen een aantal onjuiste theoriemodellen uit te sluiten en uiteindelijk in de toekomst een ontdekking te doen."

Wetenschappers weten niet zeker of donkere materie bestaat uit deeltjes of oscillerende velden die lokale omgevingen beïnvloeden, Je merkte op. De JILA-experimenten zijn bedoeld om het "trekkende" effect van donkere materie op gewone materie en elektromagnetische velden te detecteren. hij zei.

Atoomklokken zijn primaire sondes voor donkere materie omdat ze veranderingen in fundamentele constanten kunnen detecteren en snel in precisie verbeteren, stabiliteit en betrouwbaarheid. Ook de stabiliteit van de caviteit was een cruciale factor bij de nieuwe metingen. De resonantiefrequentie van licht in de holte hangt af van de lengte van de holte, die terug te voeren is op de Bohr-straal (een fysieke constante gelijk aan de afstand tussen de kern en het elektron in een waterstofatoom). De Bohr-straal is ook gerelateerd aan de waarden van de fijne structuurconstante en elektronenmassa. Daarom, veranderingen in de resonantiefrequentie in vergelijking met overgangsfrequenties in atomen kunnen wijzen op fluctuaties in deze constanten veroorzaakt door donkere materie.

Onderzoekers verzamelden gedurende 12 dagen gegevens over de strontium/holte-frequentieverhouding, waarbij de klok 30% van de tijd liep, resulterend in een dataset 978, 041 seconden lang. De gegevens van de waterstofmaser besloegen 33 dagen, waarbij de maser 94% van de tijd actief was, resulterend in een 2, 826, record van 942 seconden. De frequentieverhouding waterstof/holte zorgde voor een bruikbare gevoeligheid voor de elektronenmassa, hoewel de maser minder stabiel was en meer ruis produceerde dan de strontiumklok.

JILA-onderzoekers verzamelden de zoekgegevens voor donkere materie tijdens hun recente demonstratie van een verbeterde tijdschaal - een systeem dat gegevens van meerdere atoomklokken bevat om een ​​enkele, zeer nauwkeurig tijdwaarnemingssignaal voor distributie. Zoals de prestaties van atoomklokken, optische holtes en tijdschalen verbeteren in de toekomst, de frequentieverhoudingen kunnen opnieuw worden onderzocht met een steeds hogere resolutie, het bereik van het zoeken naar donkere materie verder uit te breiden.

"Elke keer dat iemand een optische atomaire tijdschaal gebruikt, er een kans is om een ​​nieuwe grens te stellen aan of een ontdekking te doen van donkere materie, "Je zei. "In de toekomst, wanneer we deze nieuwe systemen in een baan om de aarde kunnen brengen, het zal de grootste 'telescoop' zijn die ooit is gebouwd voor het zoeken naar donkere materie."