Атомные часы могут помочь обнаружить темную материю
Согласно новой гипотезе, исключительная точность атомных часов может позволить обнаружить темную материю. Если предположить, что она взаимодействует с обычной материей, то ее сверхлегкие частицы могут вызывать мельчайшие флуктуации в точности хода часов. Обнаружение этих колебаний может стать первым реальным доказательством существования этой неуловимой материи.
Темная материя теоретически объясняет некоторые физические явления, отклоняющиеся от Стандартной модели. Вселенная и все, что нас окружает, состоит из обычной материи. Однако многие явления не могут быть объяснены только наличием материи, например, гравитационное взаимодействие в галактиках. Поэтому физики выдвинули гипотезу о существовании другой формы материи. Темная материя почти в 6 раз превышает общую массу обычного вещества во Вселенной и должна была сформироваться после Большого взрыва, одновременно с обычным веществом.
Однако хотя мы и наблюдаем ее влияние, обнаружить ее пока не удалось. Несмотря на десятилетия исследований, конкретных доказательств ее существования нет. В новой попытке обнаружить его ученые из Сассекского университета и Национальной физической лаборатории Великобритании выдвигают новую гипотезу обнаружения, основанную на атомных часах. Согласно докладу, опубликованному в журнале , эти часы могут позволить косвенно обнаружить сверхлегкие частицы темной материи.
Измерения, основанные на двух фундаментальных константах
Атомные часы обладают невероятной точностью, присущей атомному резонансу, т.е. колебаниям атомов между различными энергетическими состояниями. Такая точность позволяет очень точно измерять время, даже если для этого потребуются миллиарды лет (десинхронизация все равно будет относительно незначительной). Помимо собственно часовой функции, они могут использоваться во многих областях, например, для анализа взаимодействия некоторых физических законов, таких как гравитация, со временем. Они также могут использоваться для хранения квантовой информации.
Согласно законам физики, атомные часы должны работать с постоянной частотой. Однако согласно гипотезам, изменения, выходящие за рамки стандартной модели физики, могут приводить к колебаниям уровня энергии атомов. Эти колебания могут повлиять на измерение времени. С другой стороны, многочисленные физические процессы указывают на то, что обычная материя взаимодействует с темной материей. Поэтому исследователи в новой работе пришли к выводу, что взаимодействие атомов с частицами темной материи может вызывать мельчайшие вариации в точности атомных часов.
Для создания новой теоретической модели группа исследователей разработала расчетный метод измерения временных флуктуаций атомных часов. Для проверки работоспособности своего метода исследователи сняли показания на основе атомов стронция (87Sr), иттербия (171 Yb) и цезия (133 Cs). Затем они измерили их чувствительность к флуктуациям фундаментальных констант (параметров, на которых основаны наши законы мироздания). Вопрос о происхождении и пространственно-временной изменчивости этих констант давно и активно изучается. В частности, они могут дать ответы на многие физические вопросы, которые в настоящее время остаются без ответа. Многочисленные эксперименты показали, что невероятная точность атомных часов может быть использована для изучения временных вариаций этих констант.
"Мы создаем новую область на стыке атомной, молекулярной и оптической физики (АМО) и традиционной физики частиц, которая может открыть новые захватывающие явления, такие как темная материя", — пояснил в пресс-релизе руководитель исследования Ксавье Кальмет (Xavier Calmet) из Сассекского университета. "Мы буквально занимаемся космологией и астрофизикой в лаборатории", — добавил он.
При проведении измерений Кальмет и его команда учитывали две конкурирующие фундаментальные константы, имеющие отношение к возможным взаимодействиям между сверхлегкой скалярной темной материей и обычным веществом. Это постоянная тонкой структуры (показывающая силу, с которой протоны притягивают электроны) и отношение масс электрона и протона. Возмущение этих двух параметров в частоте колебаний атомов может свидетельствовать о наличии сверхлегких частиц темной материи. Модель исследователей включает в себя колебания на временных масштабах от одной минуты до одного дня в течение примерно двух недель.
По словам исследователей, данная теория является беспрецедентной и не основана на какой-либо ранее существовавшей гипотезе. Более того, измерения, полученные с помощью часов, могут быть использованы для изучения гипотетических частиц аксиона. Следующим шагом станет экспериментальная проверка теоретической модели.