Для телескопов и коллайдеров тёмная материя остается неуловимым призраком. Десятилетия исследований установили, что она превосходит по массе всю видимую часть материи Вселенной раз в пять. Но при этом не фиксируется ни единым детектором. Теперь группа ученых из Института Вейцмана с коллегами из Германии и Колорадо обратилась к ядерным часам в надежде обнаружить слабый след этой материи.

Небольшая справка

В статье упоминаются ядерные часы и атомные часы. Разница между ними в том, что атомные часы опираются на колебания электронов в атомах. Ядерные часы измеряют переходы внутри самого ядра атома. Как результат, ядерные часы значительно точнее, так как ядро атома лучше защищено от внешних воздействий. Это делает ядерные часы более устойчивыми к внешним факторам и открывает путь к беспрецедентной точности

Ядерные часы, торий-229 и темная материя

В основе современных ядерных часов лежит торий-229. Это изотоп с самой низкой энергий возбуждения атомных ядер. Торий-229, впервые обнаружен в 1976 году, и обладает настолько необычно низким резонансом, что его ядро ​​доступно для лазерной спектроскопии. Эту процедуру невозможно провести ни с одним другим элементом. И именно этот чрезвычайно низкий резонанс делает ядерные часы столь уникальным прибором для измерения времени в рамках событий, протекающих в сверхмалых периодах.

В то время как атомные часы измеряют время, отслеживая переходы электронов между квантовыми состояниями, возбуждаемыми микроволновым генератором, ядерные часы обращаются к внутренней энергии, измеряя переходы внутри самого ядра.

А раз протоны и нейтроны защищены от флуктуаций внешней среды, эти переходы в теории несут едва заметный след тёмной материи. Синхронизируя атомные и ядерные часы, а затем наблюдая за мельчайшими расхождениями в их такте ученые могут зафиксировать присутствие темной материи.

Во Вселенной, состоящей только из видимой материи, спектр поглощения любого материала оставался бы постоянным. Но поскольку нас окружает тёмная материя, её волновая природа может тонко влиять на массу атомных ядер, вызывая временные сдвиги в их спектре поглощения.

Профессор Гилад Перес из Института Вейцмана.

О том, как именно мы, люди, воспринимаем время. Как разные культуры приходили к разным моделям времени. Какие существуют наши внутренние системы «синхронизации времени» и можно ли на них влиять, рассказано в интервью с антропологом Теренсом Маккенной.

Проверка истинности существования темной материи

Чтобы исследовать это явление, группа института Вейцмана объединилась с коллегами из Университета Колорадо и Национального института метрологии Германии (PTB). Ученые проанализировали спектры тория-229, полученные в обеих лабораториях, моделируя, как тёмная материя может искажать форму ядерной линии – по сути, это детальный профиль интенсивности сигнала на разных частотах. Важно не только положение пика, но и вся форма, которая может нести едва заметные следы действия скрытых сил.

Сравнивая результаты своих измерений с теоретическими моделями, команда смогла установить первые экспериментальные ограничения. Этому помог анализ формы линий при взаимодействии сверхлёгкой тёмной материи с ядерной материей. Эти ограничения стали своего рода ориентиром. Теперь, дальнейшее исследование требует повышения чёткости самого сигнала.

Спектры тория-229, использованные в текущем исследовании, имели ширину линии около 20 гигагерц, что считается довольно широким по сравнению с узкими сигналами, необходимыми для исследования тёмной материи. Недавние эксперименты уже сузили эту ширину до 300 килогерц, а предстоящие исследования могут уменьшить её ещё больше, до сотен герц.

Это скачок на восемь порядков: от размытого невнятного пятна, до точки, эквивалентной лазерной указке. При таком сужении, как ожидается, ядерные часы превзойдут атомные часы как самые чувствительные приборы для исследования сверхлёгкой тёмной материи.

Практическое применение ядерных часов и познание темной материи

Потенциальный охват ошеломляет. Полноценные ядерные часы будут «способны регистрировать силы в 10 триллионов раз слабее гравитации, с разрешением в 100 000 раз превышающим разрешение современных методов поиска тёмной материи», — по словам команды ученых.

На практике это означает открытие огромного нового окна в неизведанную физику, исследование взаимодействий, ранее недоступных никаким лабораторным приборам.

Хотя этот эксперимент пока не столь точен, как современные атомные часы, он уже заложил основу для создания одного из самых чувствительных детекторов тёмной материи, когда-либо существовавших. Достижение такой чувствительности означает возможность наблюдения за всей формой ядерной линии, выходящей за рамки одиночного резонансного сдвига.

Наши расчёты показывают, что недостаточно искать только сдвиги резонансной частоты. Чтобы обнаружить влияние тёмной материи, нам необходимо выявить изменения во всём спектре поглощения. Хотя мы пока не обнаружили эти изменения, мы заложили основу для понимания «что мы увидим», когда эти изменения проявляются.

Доктор Вольфрам Ратцингер, соавтор исследования.

Пока что тёмная материя остаётся неуловимой, словно призрак на фоне галактик и лабораторий. Но само стремление к её познанию и эти первые шаги, подчёркивают изобретательность современной физики. Она может в конечном итоге изменить то, как человечество ориентируется на Земле и в космосе, укрепить глобальную связь и исследовать скрытые законы реальности.

Традиционно, больше материалов о природе реальности, познании мира и себя, вы найдете в сообществе Neural Hack. Подписывайтесь, чтобы не пропускать свежие материалы!