Атомний годинник – найточніший з усіх наявних у нас інструментів для вимірювання часу. Нове дослідження пропонує спосіб використати приголомшливий рівень точності приладу для виявлення найдрібніших енергетичних флуктуацій, що потенційно дасть вченим можливість спостерігати за деякими видами темної матерії.
Темна матерія продовжує залишатися невловимою: хоча ми не спостерігаємо її безпосередньо, ми можемо бачити її вплив на Всесвіт. На жаль, у наших нинішніх моделях фізики немає нічого, що могло б пояснити те, що ми бачимо.
Дослідники з Сассекського університету та Національної фізичної лабораторії у Великій Британії запропонували використовувати атомний годинник для виявлення певних частинок малої маси, які, за теорією, потенційно можуть складати цю загадкову матерію.
Вважається, що ці частинки взаємодіють зі звичайними частинками матерії, але дуже слабко. Атомний годинник покладається на майже непомітні коливання атомів, коли вони рухаються між енергетичними станами, щоб показувати час, тому будь-який незначний удар по цих коливаннях – наприклад, від надлегкої частинки темної матерії – може бути помічений.
Спочатку дослідники запропонували кілька теоретичних моделей того, як можна виміряти варіації в синхронізації атомного годинника. Після цього вони зняли показання з існуючих атомних годинників, щоб довести життєздатність підходу.
Наступним кроком мала стати постановка експерименту, в якому можна було б порівняти два атомних годинники: один з них був трохи більш чутливим до змін так званих фундаментальних констант, або постійних величин, на яких ґрунтуються закони Всесвіту.
У цьому конкретному дослідженні розглядалися дві фундаментальні константи: константа тонкої структури, яка описує, наскільки сильно електрони притягуються до протонів в атомі, і відношення маси електрона до протона, яке вказує на “важкість” атомів.
Обидві константи можуть бути порушені взаємодією з певними надлегкими частинками, які теоретично відповідають за ефекти темної матерії, такими як гіпотетичний аксіон. Це дослідження встановлює обмеження на величину варіацій, які, можливо, вказують на присутність цих частинок.
Зрозуміло, що тут багато теорії, і ми маємо справу з великою кількістю припущень і прогнозів – хоча й дуже розумних. Однак, зрештою, хвилинні зміни у цоканні атомного годинника можуть мати глибокі наслідки для фізики.
Атомні годинники надзвичайно корисні для науковців не лише тому, що вони здатні зберігати час з безпрецедентною точністю протягом мільярдів років. Наприклад, вони використовуються для вимірювання гравітаційного червоного зміщення – способу, яким гравітація може втручатися в час.
Вони також важливі у квантовій фізиці і відкрили нові напрямки досліджень способів передачі та зберігання квантової інформації. Тепер здається, що вони також можуть бути детекторами темної матерії.
За словами дослідників, ці висновки не спираються на жодні існуючі теорії, а створені моделі мають велику гнучкість – потенційно достатню для застосування за межами темної матерії і в інших непояснених явищах.
Дослідження було опубліковане в New Journal of Physics .