Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Темную материю ограничили с помощью оптических часов

Colin Kennedy et al. / arXiv.org

Американские физики улучшили ограничения на взаимодействие темной материи с обычной материей, которое могло бы проявляться в мельчайших колебаниях постоянной тонкой структуры и массы электрона. Они добились этого путем сравнения частот электромагнитного излучения, генерируемого в процессе работы сразу трех сверхточных устройств: криогенного кремниевого резонатора, оптических часов и водородного мазера. Ученым в пределах точности эксперимента не удалось обнаружить изменения в фундаментальных константах, от которых в разных соотношениях зависели генерируемые частоты, но эксперимент позволил усилить ограничения на взаимодействие темных частиц с массами в промежутке между 10-21 и 10-16 электронвольт с обычной материей. Препринт работы опубликован на arXiv.org.

Ученым уже давно стало ясно, что кроме видимой нам материи во вселенной присутствует еще некоторая скрытая масса. Без ее существования крайне сложно объяснить аномально высокие скорости вращения периферических областей галактик и гравитационное линзирование. Однако все встает на свои места если предположить, что во вселенной существует особый вид материи, которая не излучает, но взаимодействует с обычной материей посредством гравитации. Именно такую гипотетическую форму материи и называют темной.

Физики придумали множество способов теоретически описать существование темной материи, а вот эксперименты по ее прямому обнаружению пока что не предоставили надежных результатов. Различные теории, в свою очередь, видят возможности для существования темных частиц в крайне широком энергетическом диапазоне: от легчайших аксионов с массой вблизи 10-22 электронвольт до темных ядер с массой вплоть до 1030 электронвольт (в рациональной системе единиц). Темные частицы различной массы могут оказывать влияние на совершенно разную по масштабам физику, поэтому ученым важно ограничить существующий простор для потенциального обнаружения темной материи.

Уже упомянутые аксионы — одни из наиболее привлекательных кандидатов на темную материю, так как с их помощью можно было бы объяснить и сохранение CP-симметрии в квантовой хромодинамике. Существование этих сверхлегких частиц также привело бы к существованию электрического дипольного момента нейтрона, который также уже давно пытаются увидеть в экспериментах, но пока безуспешно. Особо легкие скалярные частицы также решили бы ряд проблем в моделях холодной темной материи, а длина их волны де Бройля может достигать размеров карликовых галактик. Кроме того, предполагается, что подобные частицы могут генерировать колебания значения постоянной тонкой структуры, а также масс электрона и даже кварков.

Именно потенциальные колебания в постоянной тонкой структуры и массе электрона хотел увидеть или ограничить Колин Кеннеди (Colin Kennedy) из JILA. Для этого Колин вместе с коллегами использовал сразу три сверхточных устройства: оптические часы, водородный мазер и криогенный кремниевый резонатор. Последний представлял собой крайне стабильный генератор постоянной частоты и был охлажден до 121 кельвина. Эту генерируемую частоту измеряли с помощью двух других устройств: водородный мазер генерировал вспомогательную частоту, которая соответствовала спиновому переходу электрона в атоме водорода, а оптические часы, будучи особо точной разновидностью атомных часов, позволяли измерять исходную частоту с точностью в 2 × 10-18. Сами оптические часы основаны на периодической генерировании квантов электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, соответствующих определенному переходу электрона в атоме (в данному случае: переход с уровня 5s5p на уровень 5s2 в атоме стронция). Особенность эксперимента заключалась в том, что во всех трех устройствах генерируемые частоты зависели от различных соотношений постоянной тонкой структуры и массы электрона, поэтому из измерений частоты кремниевого генератора в единицах двух других приборов можно было вычленить потенциальные колебания в упомянутых фундаментальных константах.

Измерения с помощью оптических часов проводили в течение 12 дней с продолжительными перерывами, а с помощью водородного мазера — в течение 33 дней практически без перерывов. Наибольший вклад в ошибки эксперимента внесли пробелы в данных из-за не непрерывной работы установок, а также шумы в используемых приборах. В результате по данным о спектральных плотностях мощности физикам удалось ограничить константы взаимодействия темных частиц, связанные с колебаниями постоянной тонкой структуры и массы электрона. Всего физики наложили ограничения на взаимодействие с материей темных частиц в диапазоне масс от 10-21 до 10-16 электронвольт. Особого успеха ученые добились в ограничениях на колебания массы электрона: в этих данных исследователи усилили ранее полученный верхний предел в 100 раз для темной материи с массой около 10-20 электронвольт.

Экспериментаторы также указывают и на недостатки своего опыта, главным из которых оказалась непостоянность измерений с помощью оптических часов: за 12 дней они непрерывно проработали лишь 30 процентов общего времени. Для демонстрации важности непрерывных измерений физики смоделировали данные из предположения, что измерения проводились бы в 100 процентах времени опыта. В этом случае точность ограничений на колебания постоянной тонкой структуры увеличилась бы почти на порядок, однако этого не удалось добиться из-за технических ограничений. В будущем исследователи надеются исправить этот недостаток и улучшить свои предсказания. Более того, авторы надеются расширить диапазон исследуемых масс темных частиц и отмечают уникальность подобных экспериментов: с помощью опытов над атомами у физиков появляется возможность вводить ограничения на процессы галактических масштабов.

Другая крайность исследований темной материи — поиск крайне тяжелых частиц с массой порядка массы Планка. Недавно мы рассказывали о том, как их предложили искать с помощью массива из миллиарда маленьких маятников, которые бы отклонялись при пролете мимо такой тяжелой темной частицы. А в среднем энергетическом диапазоне уже есть намеки на реальные результаты: ранее детектор XENON1T зарегистрировал аномально большое число событий для частиц с массами порядка нескольких килоэлектронвольт.

Никита Козырев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.