Темну матерію обмежили за допомогою оптичних годин

Фото / nplus1.ru

Американські фізики поліпшили обмеження на взаємодію темної матерії зі звичайною матерією, яке могло б виявлятися в найдрібніших коливаннях постійної тонкої структури і маси електрона. Вони домоглися цього шляхом порівняння частот електромагнітного випромінювання, що генерується в процесі роботи відразу трьох надточних пристроїв: вакуумного кремнієвого резонатора, оптичних годин і водневого мазера. Вченим в межах точності експерименту не вдалося виявити зміни в фундаментальних константах, від яких в різних співвідношеннях залежали генеруються частоти, але експеримент дозволив посилити обмеження на взаємодію темних частинок з масами в проміжку між 10 -21 і 10 -16 електронвольт зі звичайною матерією.

• Дослідники розробили ефективну недорогу систему для вироблення енергії в нічний час.

• Нове дослідження пояснює, як незабаром сонячні батареї можуть виробляти енергію в нічний час

Вченим вже давно стало ясно, що крім видимої нам матерії у Всесвіті є ще деяка прихована маса. Без її існування вкрай складно пояснити аномально високі швидкості обертання периферичних областей галактик і  гравітаційне лінзування . Однак все встає на свої місця якщо припустити, що у всесвіті існує особливий вид матерії, яка не випромінює, але взаємодіє зі звичайною матерією за допомогою гравітації. Саме таку гіпотетичну форму матерії і називають темною.

Фізики придумали безліч способів теоретично описати існування темної матерії, а ось експерименти по її прямому виявленню поки що не надали надійних результатів. Різні теорії, в свою чергу, бачать можливості для існування темних частинок в вкрай широкому енергетичному діапазоні: від найлегших аксионів з масою поблизу 10 -22 МеВ до темних ядер з масою аж до 10 30 МеВ (в раціональній системі одиниць). Темні частинки різної маси можуть впливати на абсолютно різну за масштабами фізику, тому вченим важливо обмежити існуючий простір для потенційного виявлення темної матерії.

Вже згадані Аксион - одні з найбільш привабливих кандидатів на темну матерію, так як з їх допомогою можна було б пояснити і  збереження CP-симетрії в квантовій хромодинамике. Існування цих надлегких частинок також призвело б до  існування електричного дипольного моменту нейтрона, який також вже давно намагаються побачити в експериментах, але поки безуспішно. Особливо легкі скалярні частинки також вирішили б ряд проблем в моделях холодної темної матерії, а довжина їх хвилі де Бройля може досягати розмірів карликових галактик. Крім того, передбачається , що подібні частинки можуть генерувати коливання значення постійної тонкої структури, а також мас електрона і навіть кварків.

Саме потенційні коливання в постійної тонкої структури і масі електрона хотів побачити або обмежити Колін Кеннеді (Colin Kennedy) з JILA. Для цього Колін разом з колегами використовував відразу три надточних пристрої: оптичні годинник , водневий мазер і вакуумний кремнієвий резонатор. Останній був вкрай стабільний генератор постійної частоти і був охолоджений до 121 Кельвіна. Цю генерується частоту вимірювали за допомогою двох інших пристроїв: водневий мазер генерував допоміжну частоту, яка відповідала спиновому переходу електрона в атомі водню, а оптичні годинник, будучи особливо точної різновидом атомного годинника, дозволяли вимірювати вихідну частоту з точністю в 2 × 10 -18. Самі оптичні годинник засновані на періодичній генеруванні квантів електромагнітного випромінювання в оптичному діапазоні, що відповідають певному переходу електрона в атомі (в даному випадку: перехід з рівня 5s5p на рівень 5s 2 в атомі стронцію). Особливість експерименту полягала в тому, що у всіх трьох пристроях генеруються частоти залежали від різних співвідношень постійної тонкої структури і маси електрона, тому з вимірювань частоти кремнієвого генератора в одиницях двох інших приладів можна було виокремити потенційні коливання в згаданих фундаментальних константах. 

(A) - основні залежності між вимірюваними відносинами частот і фундаментальними константами для трьох використовуваний пристроїв, (b) - залежність відхилення даних від часу для двох способів вимірювання (червоні точки - оптичні годинник, сині точки - водневий мазер), (c) - експериментальні і змодельовані дані про спектральні щільності потужності.(фото/nplus1.ru)

Вимірювання за допомогою оптичних годин проводили протягом 12 днів з тривалими перервами, а за допомогою водневого мазера - протягом 33 днів практично без перерв. Найбільший внесок в помилки експерименту внесли прогалини в даних через не безперервної роботи установок, а також шуми в використовуваних приладах. В результаті за даними про спектральних щільності потужності фізикам вдалося обмежити константи взаємодії темних частинок, пов'язані з коливаннями постійної тонкої структури і маси електрона. Всього фізики наклали обмеження на взаємодію з матерією темних частинок в діапазоні мас від 10 -21 до 10 -16електронвольт. Особливого успіху вчені домоглися в обмеженнях на коливання маси електрона: в цих даних дослідники посилили раніше отриманий верхня межа в 100 разів для темної матерії з масою близько 10 -20  МеВ.

Обмеження на константу взаємодії темної частки зі звичайною матерією, відповідну коливань постійної тонкої структури.(фото/nplus1.ru)

Експериментатори також вказують і на недоліки свого досвіду, головним з яких виявилася нестабільність вимірювань за допомогою оптичних годин: за 12 днів вони безперервно пропрацювали лише 30 відсотків загального часу. Для демонстрації важливості безперервних вимірювань фізики змоделювали дані з припущення, що вимірювання проводилися б в 100 відсотках часу досвіду. В цьому випадку точність обмежень на коливання постійної тонкої структури збільшилася б майже на порядок, однак цього не вдалося домогтися через технічні обмежень. У майбутньому дослідники сподіваються виправити цей недолік і поліпшити свої передбачення. Більш того, автори сподіваються розширити діапазон досліджуваних мас темної частинок і відзначають унікальність подібних експериментів:

Інша крайність досліджень темної матерії - пошук вкрай важких частинок з масою порядку маси Планка. Нещодавно ми розповідали про те, як їх  запропонували шукати за допомогою масиву з мільярда маленьких маятників, які б відкланялися при прольоті мимо такої важкої темної частки. А в середньому енергетичному діапазоні вже є натяки на реальні результати: раніше детектор XENON1T зареєстрував аномально велика кількість подій для частинок з масами порядку декількох кілоелектронвольт.

Джерело