Mörk materia och gas i simulering Kredit:Illustris Collaboration. Optiska klockor och förbättrade kristallina kiselhålor kan förbättra begränsningarna för möjliga interaktioner mellan mörk materia och fält och partiklar i standardmodellen.
Optiska klockor är så exakta att det skulle ta uppskattningsvis 20 miljarder år – längre än universums ålder – att förlora eller vinna en sekund. Nu, forskare i USA ledda av Jun Yes grupp vid National Institute of Standards and Technology och University of Colorado har utnyttjat precisionen och noggrannheten hos deras optiska klocka och den oöverträffade stabiliteten i deras optiska hålrum av kristallint kisel för att skärpa begränsningarna för eventuell koppling mellan partiklar och fält i fysikens standardmodell och de hittills svårfångade komponenterna av mörk materia.
Förekomsten av mörk materia är indirekt uppenbar från gravitationseffekter på galaktiska och kosmologiska skalor, men utöver det, lite är känt om dess natur. En av effekterna som faller ur teoretisk analys av mörk materias koppling till partiklar i standardmodellen för fysik är en resulterande oscillation i fundamentala konstanter. Ni och medarbetare tänkte att om deras metrologiutrustning i världsklass inte kunde upptäcka dessa svängningar, då skulle detta uppenbarligen nollresultat vara en användbar bekräftelse på att styrkan hos mörk materias interaktioner med partiklar i standardmodellen för fysik måste vara ännu lägre än vad som dikterats av de begränsningar som hittills registrerats.
Klockning av fundamentala konstantvärden
Tidigare försök att fästa direkt bevis på mörk materia sträcker sig från laboratorieexperiment till stora partikelkollideringsprojekt, såsom de vid Large Hadron Collider (LHC). Många av dessa ansträngningar har letat efter interaktioner med, till exempel, svagt interagerande massiva partiklar (WIMPs), som har massor som liknar en silveratom i intervallet 100 GeV, eller axioner - en hypotes partikel avsedd att förklara element i partikelfysik, och som kan passa med teorier om mörk materia. Dock, Ye och hans medarbetare använde sin optiska klocka och kavitetsenheter för att ta reda på möjliga interaktioner mellan mörk materia och partiklar i den nedre änden av masspektrat långt under 1 eV, vilket är 500, 000 gånger mindre än massan av en elektron i vila.
Optiska klockor är en typ av atomur. De första atomklockorna utnyttjade hyperfina övergångar i atomer av cesium 133 - när elektronerna i cesium 133-atomen snurrar, den resulterande förändringen i energin i atomens tillstånd sänds ut som elektromagnetisk strålning med en karakteristisk frekvens i mikrovågsområdet. Dock, övergångarna mellan elektronorbitaler i strontiumatomer leder till energiförändringar med en mycket högre motsvarande frekvens i det optiska området, och nu när tekniken har utvecklats för att mäta dessa övergångar, ännu högre noggrannhet tidshållning är möjlig. Vad är mer, frekvensen av optiska klockor är direkt relaterad till vissa fundamentala konstanter, tillhandahålla en väg för att mäta potentiella variationer av dessa kvantiteter med oöverträffad noggrannhet.
Ye och medarbetare använde sin optiska klocka för att söka efter alla variationer i grundkonstanten α, den fina strukturkonstanten, som definierar styrkan hos interaktioner mellan laddade partiklar och fotoner. För detta ändamål, de jämförde frekvensen av strontiumatomerna som används i den optiska klockan med deras kristallina kiselhålighet, en anordning som används i lasrar som tillåter elektromagnetiska vågor att studsa mellan motsatta reflekterande ytor och skapa en stående våg med en karakteristisk frekvens som bestäms av kavitetens längd. Frekvensen för båda enheterna definieras i termer av både α och m e (en annan fundamental konstant som ger elektronens massa) men med olika beroenden, så att förhållandet mellan de två frekvenserna avslöjar eventuella variationer i konstanten α.
"Människor har använt atomklockor vid mikrovågsfrekvenser för att begränsa gränserna för kopplingsstyrkor för mörk materia, men detta arbete skulle representera de första resultaten av användningen av optiska atomklockor för att ge begränsningar för den oscillerande signaturen av mörk materia, " säger Ye.
Förutom att jämföra kavitetsfrekvensen med klockatomerna, forskarna jämförde det med frekvensen av en vätgasmaser - en mikrovågsfrekvensstandard som genererar strålning baserad på övergångar mellan olika elektroniska och nukleära spinntillstånd i väteatomen. Även om vätemasern inte ger tidhållning lika exakt som den strontiumbaserade optiska klockan, energiövergångarna den bygger på leder till en annan relation mellan frekvens och konstanterna α och m e, så att förhållandet mellan dess frekvens och det kristallina kiselhåligheten ger en sond för variationer i värdet av m e , också. Även om oscillationer i värdet på α skulle indikera interaktioner mellan mörk materia och elektromagnetiska fält, svängningar i m e skulle avslöja interaktioner med elektronmassan.
De uppmätta frekvensförhållandena mellan kaviteten och både den optiska klockan och vätemasern drar också nytta av en annan avgörande fördel - stabiliteten hos den kristallina kiselkaviteten. "De flesta hålrum är gjorda av glas som är en oordnad, amorft fast material som har mycket dimensionell drift och instabilitet, "förklarar Colin Kennedy, en forskare i Yes grupp och första författare i rapporten om dessa resultat, belyser fördelen med att använda en kavitet som består av en stor enskild kristall av kisel. "Denna nya generation av kaviteter är gjorda av enkristaller av kisel och hålls också vid kryogena temperaturer, vilket gör dem mer stabila i storleksordningar. Detta är den viktigaste fördelen med vårt arbete."
Närmar sig mörk materia
Medan (som förväntat) forskarna inte observerade svängningar i de grundläggande konstanterna på grund av interaktioner med mörk materia, deras data minskade intervallet av möjliga värden som parametrarna för denna interaktion kunde ha. För mörk materia partiklar med massor i intervallet från 4,5 × 10 −16 ner till 1 × 10 −19 eV, den möjliga styrkan hos interaktioner med mörk materia definierad av α begränsas av ytterligare en faktor på upp till fem av dessa resultat, och de som definieras av m e begränsas med så mycket som en faktor 100 för massor mellan 2 × 10 −19 och 2 × 10 −21 eV.
"Idén att använda en optisk kavitetsresonansfrekvens för att jämföra mot en atomfrekvens föreslogs först i ett e-postutbyte mellan mig och prof. Victor Flambaum, "Ye säger till phys.org, påminner om deras utbyte runt 2015. Medan Flambaum mycket snabbt skrev ett dokument som beskrev de grundläggande idéerna de diskuterade, Ye säger att han "ville se de experimentella resultaten. Och här är vi."
© 2020 Science X Network
