Физики ограничили ультралегкую темную материю при помощи атомных часов

Физики из Великобритании получили наиболее жесткие на сегодняшний день ограничения на параметры ультралегкой темной материи. Для этого они использовали данные атомных часов и новый модельно-независимый подход к изучению вариаций во времени этих параметров и других фундаментальных констант. Работа опубликована в журнале New Journal of Physics.

По современным представлениям темной материи во Вселенной примерно в пять раз больше обычного вещества. Она не участвует в электромагнитных взаимодействиях и поэтому недоступна прямому наблюдению. Наиболее вероятные кандидаты на роль темной материи — вимпы — до сих пор экспериментально не обнаружены. Поэтому ученые рассматривают и другие теории о составе темной материи: от сверхлегких частиц, например, аксионов, до первичных черных дыр.

Ранее ученые уже использовали данные атомных часов для ограничения параметров ультралегкой темной материи с массой менее 10^-16 электронвольт. На этот раз физики Натаниель Шерилл (Nathaniel Sherrill) и Адам О Парсонс (Adam O Parsons) с коллегами из университета Сассекса и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне предложили новый модельно-независимый подход к изучению временных вариаций фундаментальных констант при анализе данных атомных часов. При этом количество свободных параметров увеличилось, что по мнению ученых позволит тестировать различные модели и их константы связи.

Чтобы проверить новый подход в действии, физики использовали три типа атомных часов: на основе атомов стронция Sr в решетчатой ловушке, на основе ионов иттербия Yb⁺ в ловушке Пауля и атомные часы на цезиевом фонтане Cs. Частоты всех часов измерялись относительно водородного мазера, после чего рассчитывались отношения частот Yb⁺/Sr, Yb⁺/Cs и Sr/Cs. Это позволило исключить возможные ошибки, связанные с нестабильностью работы мазера из-за изменения параметров окружающей среды. Генерируемые частоты во всех часах зависят от соотношений постоянной тонкой структуры и массы электрона. Поэтому из взаимных измерений частот трех часов можно получить колебания со временем этих констант. Особенностью эксперимента стала независимость измерений от предполагаемой функциональной зависимости констант от времени. Поэтому полученные ограничения могут быть использованы при рассмотрении любых гипотетических моделей.

В частности, ученые получили ограничения на константы связи гипотетических частиц темной материи в области масс от 10^-20 до 10^-17 электронвольт. Для скалярной константы связи d_γ⁽¹⁾ физикам удалось исключить новую область параметров, усилив предыдущий предел примерно на порядок.

Ученые до сих пор не могут определить параметры темной материи, хотя и видят ее проявления в различных процессах. Чтобы лучше разобраться, какие на сегодняшний день существуют модели, описывающие темную материю, пройдите наш тест.