JILA-forskare har använt en toppmodern atomklocka för att begränsa sökandet efter svårfångad mörk materia, ett exempel på hur ständiga förbättringar av klockor har ett värde utöver tidtagning.

Äldre atomklockor som arbetar vid mikrovågsfrekvenser har jagat efter mörk materia tidigare, men det här är första gången en nyare klocka, arbetar vid högre optiska frekvenser, och en ultrastabil oscillator för att säkerställa stabila ljusvågor, har utnyttjats för att sätta mer exakta gränser för sökningen. Forskningen beskrivs i Fysiska granskningsbrev .

Astrofysiska observationer visar att mörk materia utgör det mesta av "grejer" i universum men hittills har den undgått att fångas. Forskare runt om i världen har letat efter det i olika former. JILA-teamet fokuserade på ultralätt mörk materia, som i teorin har en liten massa (mycket mindre än en enda elektron) och en enorm våglängd – hur långt en partikel sprider sig i rymden – som kan vara lika stor som storleken på dvärggalaxer. Denna typ av mörk materia skulle vara bunden av gravitationen till galaxer och därmed till vanlig materia.

Ultralätt mörk materia förväntas skapa små fluktuationer i två grundläggande fysiska "konstanter":elektronens massa, och finstrukturkonstanten. JILA-teamet använde en strontiumgitterklocka och en vätemaser (en mikrovågsversion av en laser) för att jämföra deras välkända optiska frekvenser och mikrovågsfrekvenser, respektive, till frekvensen av ljus som resonerar i en ultrastabil kavitet gjord av en enda kristall av rent kisel. De resulterande frekvensförhållandena är känsliga för variationer över tiden i båda konstanterna. De relativa fluktuationerna i förhållandena och konstanterna kan användas som sensorer för att koppla kosmologiska modeller av mörk materia till accepterade fysikteorier.

JILA-teamet etablerade nya gränser på ett golv för "normala" fluktuationer, bortom vilka ovanliga signaler som upptäcks senare kan bero på mörk materia. Forskarna begränsade kopplingsstyrkan för ultralätt mörk materia till elektronmassan och finstrukturkonstanten till att vara i storleksordningen 10 ^-5 eller mindre, den mest exakta mätningen någonsin av detta värde.

JILA drivs gemensamt av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.

"Ingen vet faktiskt vid vilken känslighetsnivå du kommer att börja se mörk materia i laboratoriemätningar, " NIST/JILA Fellow Jun Ye sa. "Problemet är att fysiken som vi känner den inte är helt komplett vid denna tidpunkt. Vi vet att något saknas men vi vet inte riktigt hur vi ska fixa det ännu."

"Vi vet att mörk materia existerar från astrofysiska observationer, men vi vet inte hur den mörka materien ansluter till vanlig materia och de värden vi mäter, "Ye tillade. "Experiment som vårt tillåter oss att testa olika teorimodeller som människor sätter ihop för att försöka utforska naturen av mörk materia. Genom att sätta bättre och bättre gränser, vi hoppas kunna utesluta några felaktiga teorimodeller och så småningom göra en upptäckt i framtiden."

Forskare är inte säkra på om mörk materia består av partiklar eller oscillerande fält som påverkar lokala miljöer, Ni noterade. JILA-experimenten är avsedda att upptäcka mörk materias "dragande" effekt på vanlig materia och elektromagnetiska fält, han sa.

Atomklockor är främsta sonder för mörk materia eftersom de kan upptäcka förändringar i fundamentala konstanter och snabbt förbättras i precision, stabilitet och tillförlitlighet. Kavitetens stabilitet var också en avgörande faktor i de nya mätningarna. Resonansfrekvensen för ljuset i kaviteten beror på kavitetens längd, som kan spåras tillbaka till Bohr-radien (en fysisk konstant som är lika med avståndet mellan kärnan och elektronen i en väteatom). Bohr-radien är också relaterad till värdena för finstrukturens konstant och elektronmassa. Därför, förändringar i resonansfrekvensen jämfört med övergångsfrekvenser i atomer kan indikera fluktuationer i dessa konstanter orsakade av mörk materia.

Forskare samlade in data om strontium/kavitetsfrekvensförhållandet under 12 dagar med klockan igång 30 % av tiden, resulterar i en datamängd 978, 041 sekunder lång. Vätgasmaserdatan sträckte sig över 33 dagar med masern igång 94 % av tiden, vilket resulterar i en 2, 826, 942 sekunders rekord. Frekvensförhållandet väte/kavitet gav användbar känslighet för elektronmassan även om masern var mindre stabil och producerade brusigare signaler än strontiumklockan.

JILA-forskare samlade in sökdata för mörk materia under deras senaste demonstration av en förbättrad tidsskala - ett system som innehåller data från flera atomklockor för att producera en enda, mycket exakt tidtagningssignal för distribution. Som prestanda för atomklockor, optiska kaviteter och tidsskalor förbättras i framtiden, frekvensförhållandena kan omprövas med allt högre upplösning, ytterligare utöka räckvidden för sökningar efter mörk materia.

"Varje gång man kör en optisk atomär tidsskala, det finns en chans att sätta en ny gräns för eller göra en upptäckt av mörk materia, "Sa du. "I framtiden, när vi kan sätta dessa nya system i omloppsbana, det kommer att bli det största "teleskop" som någonsin byggts för sökandet efter mörk materia."