Темну матерію обмежили за допомогою оптичних годин

Американські фізики поліпшили обмеження на взаємодію темної матерії зі звичайною матерією, яка могла б проявлятися в найдрібніших коливаннях постійної тонкої структури і маси електрону. Вони домоглися цього шляхом порівняння частот електромагнітного випромінювання, що генерується в процесі роботи відразу трьох надточних пристроїв: криогенного кремнієвого резонатора, оптичного годинника і водневого мазера. Вченим в межах точності експерименту не вдалося виявити зміни в фундаментальних константах, від яких в різних співвідношеннях залежали генеровані частоти, але експеримент дозволив посилити обмеження на взаємодію темних частинок з масами в проміжку між 10^-21 і 10^-16 електронвольт зі звичайною матерією. Препринт роботи опубліковано на arXiv.org.

Вченим вже давно стало ясно, що крім видимої нам матерії у всесвіті присутня ще деяка прихована маса. Без її існування вкрай складно пояснити аномально високі швидкості обертання периферичних областей галактик і гравітаційне лінзування. Однак все встає на свої місця якщо припустити, що у всесвіті існує особливий вид матерії, яка не випромінює, але взаємодіє зі звичайною матерією за допомогою гравітації. Саме таку гіпотетичну форму матерії і називають темною.

Фізики придумали безліч способів теоретично описати існування темної матерії, а ось експерименти з її прямого виявлення поки що не надали надійних результатів. Різні теорії, у свою чергу, бачать можливості для існування темних частинок у вкрай широкому енергетичному діапазоні: від найлегших аксіонів з масою поблизу 10^-22 електронвольт до темних ядер з масою аж до 10³⁰ електронвольт (у раціональній системі одиниць). Темні частинки різної маси можуть впливати на абсолютно різну за масштабами фізику, тому вченим важливо обмежити існуючий простір для потенційного виявлення темної матерії.

Вже згадані аксіони - одні з найбільш привабливих кандидатів на темну матерію, так як з їх допомогою можна було б пояснити і збереження CP-симетрії в квантовій хромодинаміці. Існування цих надлегких частинок також призвело б до існування електричного дипольного моменту нейтрона, який також вже давно намагаються побачити в експериментах, але поки безуспішно. Особливо легкі скалярні частинки також вирішили б ряд проблем в моделях холодної темної матерії, а довжина їх хвилі де Бройля може досягати розмірів карликових галактик. Крім того, передбачається, що подібні частинки можуть генерувати коливання значення постійної тонкої структури, а також мас електрона і навіть кварків.

Саме потенційні коливання в постійній тонкій структури і масі електрона хотів побачити або обмежити Колін Кеннеді (Colin Kennedy) з JILA. Для цього Колін разом з колегами використовував відразу три надточних пристрої: оптичний годинник, водневий мазер і кріогенний кремнієвий резонатор. Останній був вкрай стабільним генератором постійної частоти і був охолоджений до 121 кельвіна. Цю частоту вимірювали за допомогою двох інших пристроїв: водневий мазер генерував допоміжну частоту, яка відповідала спиновому переходу електрону в атомі водню, а оптичний годинник, будучи особливо точним різновидом атомного годинника, дозволяв вимірювати вихідну частоту з точністю в 2 мм. 10^-18. Сам оптичний годинник заснований на періодичному генеруванні квантів електромагнітного випромінювання в оптичному діапазоні, що відповідає певному переходу електрону в атомі (в даному випадку: перехід з рівня 5s5p на рівень 5s² в атомі стронція). Особливість експерименту полягала в тому, що у всіх трьох пристроях генеровані частоти залежали від різних співвідношень постійної тонкої структури і маси електрону, тому з вимірювань частоти кремнієвого генератора в одиницях двох інших приладів можна було вичленувати потенційні коливання в згаданих фундаментальних константах.

Вимірювання за допомогою оптичних годин проводили протягом 12 днів з тривалими перервами, а за допомогою водневого мазеру - протягом 33 днів практично без перерв. Найбільший внесок в помилки експерименту зробили прогалини в даних через не безперервну роботу установок, а також шуми у використовуваних приладах. В результаті за даними про спектральні щільності потужності фізикам вдалося обмежити константи взаємодії темних частинок, пов'язані з коливаннями постійної тонкої структури і маси електрону. Всього фізики наклали обмеження на взаємодію з матерією темних частинок в діапазоні мас від 10^-21 до 10^-16 електронвольт. Особливого успіху вчені домоглися в обмеженнях на коливання маси електрону: у цих даних дослідники посилили раніше отриману верхню межу в 100 разів для темної матерії з масою близько 10^-20 електронвольт.

Експериментатори також вказують і на недоліки свого досвіду, головним з яких виявилася непостійність вимірювань за допомогою оптичного годинника: за 12 днів вони безперервно пропрацювали лише 30 відсотків загального часу. Для демонстрації важливості безперервних вимірювань фізики змоделювали дані з припущення, що вимірювання проводилися б у 100 відсотках часу досвіду. У цьому випадку точність обмежень на коливання постійної тонкої структури збільшилася б майже на порядок, проте цього не вдалося домогтися через технічні обмеження. У майбутньому дослідники сподіваються виправити цей недолік і поліпшити свої передбачення. Більш того, автори сподіваються розширити діапазон досліджуваних мас темних частинок і відзначають унікальність подібних експериментів: за допомогою дослідів над атомами у фізиків з'являється можливість вводити обмеження на процеси галактичних масштабів.

Інша крайність досліджень темної матерії - пошук вкрай важких частинок з масою порядку маси Планка. Нещодавно ми розповідали про те, як їх запропонували шукати за допомогою масиву з мільярда маленьких маятників, які б відхилялися при прольоті повз таку важку темну частинку. А в середньому енергетичному діапазоні вже є натяки на реальні результати: раніше детектор XENON1T зареєстрував аномально велику кількість подій для частинок з масами порядку декількох кілоелектронвольт.