Японские учёные создали атомные часы на иттербии для обнаружения тёмной материи
Японские физики разработали сверхточные и сверхчувствительные атомные часы на основе иттербия, которые могут проверить пределы Стандартной модели и даже обнаружить неуловимую темную материю. Руководитель проекта Таики Исияма, доктор философии, физик из Высшей школы науки Киотского университета в Японии, использовал редкий орбитальный переход в атомах, который долгое время считался многообещающим, но слишком сложным для измерения с высокой точностью. В этой системе задействован орбитальный переход, который ранее никогда не использовался в атомном хронометрировании. Команда считает, что их подход позволит провести одни из самых строгих проверок предсказаний Стандартной модели, которая объясняет три из четырех фундаментальных сил, управляющих Вселенной: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия.
Атомные часы измеряют время, фиксируя, как электроны перескакивают между двумя определенными энергетическими уровнями внутри атомов. Чаще всего для этого используется цезий-133, который действует как высокостабильный естественный маятник. Эти переходы происходят на чрезвычайно стабильных частотах, что делает атомные часы самыми точными хронометрами из когда-либо созданных. Самые точные атомные часы удерживают атомы в оптической решетке — структуре из света и тени, образованной пересекающимися лазерами. Они работают на оптических частотах с сотнями триллионов колебаний в секунду. Некоторые из них, например стронциевые оптические решетчатые часы, настолько точны, что их погрешность составила бы менее секунды примерно за 30 миллиардов лет.
Однако исследователи давно подозревали, что можно достичь еще большей чувствительности, используя редкий тип орбитального перехода в атомах иттербия. Он происходит между конфигурациями с участием внутреннего электрона глубоко внутри атома. В теории этот переход обладает высокой чувствительностью к новым физическим явлениям, таким как темная материя, но долгое время его не удавалось измерить с точностью, сравнимой с точностью обычных часовых переходов, используемых в стандартных атомных часах.
Хотя теоретически этот переход идеально подходит для поиска изъянов в Стандартной модели, достижение необходимой точности остается сложной задачей на практике. Как отметил Исияма, хотя его команда впервые наблюдала этот переход в 2023 году, а затем и другие группы последовали за ними, разрешающая способность измерений была намного хуже, чем у современных оптических часов. Ранние эксперименты команды страдали от низкой точности измерений, во многом из-за помех со стороны тех самых лазеров, которые использовались для удержания атомов.
Чтобы решить эту проблему, они обратились к технике, называемой «волшебная длина волны», которая удерживала атомы иттербия в трехмерной оптической решетке. Таким образом им удалось устранить нежелательные сдвиги энергетических уровней атомов, вызванные удерживающим светом. Комбинируя это с высокостабилизированным возбуждающим лазером, команда достигла узкой спектральной ширины линии в 80 Гц, что примерно на два порядка лучше предыдущих результатов.
Команда приблизила систему к точности самых современных оптических часов. Этот уровень контроля позволил им провести серию высокоточных измерений, включая наблюдение когерентных осцилляций между атомными состояниями и обнаружение межорбитального фешбаховского резонанса. Более того, команда провела измерения изотопного сдвига и отследила, как частота перехода изменяется между различными формами атомов иттербия. Эти сдвиги были измерены с точностью до одной миллиардной доли.
Как подчеркнул Исияма, это мощный инструмент для поиска новых бозонов, опосредующих взаимодействия между электронами и нейтронами за пределами Стандартной модели. Исследование установило строгие ограничения на эти возможные эффекты при определенных предположениях и улучшило модели атомного и ядерного поведения. Оно также показало, что внутренние переходы теперь можно контролировать очень точно. Более того, работа открывает путь к созданию оптических решетчатых часов, сочетающих высокую точность измерений и высокую чувствительность к новым физическим явлениям.
Исследование в журнале Nature Photonics.