Израильские и немецкие ученые решили использовать торий-229 для разработки сверхточных ядерных часов, способных обнаруживать силы, в 10 трлн раз слабее гравитации.
Такая чувствительность может сделать эти часы идеальным инструментом для обнаружения темной материи. Физики уже более 100 лет пытаются раскрыть природу загадочной темной материи, которая, как считается, составляет до 80% Вселенной. Ученые исследовали большое количество способов ее обнаружения — от попыток создания частиц темной материи в ускорителях, до поисков слабого космического излучения. Однако ключевые характеристики этой таинственной субстанции до сих пор остаются неизученными.
Хотя темная материя не взаимодействует со светом, считается, что она оказывает тонкое влияние на обычную материю, однако современные приборы не способны зафиксировать это сверхтонкое взаимодействие. По мнению экспертов, создание сверхточных ядерных часов может наконец позволить обнаружить темную материю.
Эти часы будут настолько точными, что даже незначительные отклонения в их движении могли бы свидетельствовать о наличии темной материи, поскольку это устройство будет измерять время на основе колебаний атомного ядра. В прошлом году исследовательские группы из Германии и Колорадо сделали важный шаг вперед, используя радиоактивный изотоп торий-229 на ранних стадиях создания таких часов.
После того, как израильские исследователи из группы теоретической физики профессора Гилада Переса в Институте Вейцмана ознакомились с успехами американских и немецких коллег, они решили внести собственный вклад в создание этого устройства и поиски темной материи. Совместно с немецкими учеными они опубликовали исследование о том, как темная материя может влиять и тонко изменять свойства ядра тория-229.
Подобно тому, как качание ребенка на качелях требует правильного момента для поддержания плавного и равномерного движения, атомное ядро также имеет оптимальную частоту колебаний, называемую резонансной частотой. Излучение именно на этой частоте может заставить ядро колебаться подобно маятнику между двумя квантовыми состояниями — ключевым и высокоэнергетическим.
Большинство материалов имеют высокую резонансную частоту и для возбуждения ядра необходимо мощное излучение. Однако в 1976 году ученые выяснили, что торий-229 — побочный продукт американской ядерной программы, представляет собой уникальное исключение.
Его собственная резонансная частота достаточно низкая, чтобы ею можно было управлять с помощью лазеров, используя относительно слабое ультрафиолетовое излучение. Это делает торий-229 перспективным кандидатом для использования в инновационных ядерных часах, в которых время будет измеряться путем колебания ядра атома между квантовыми состояниями.
«Ядерные часы могли бы стать идеальным детектором, способным улавливать силы, в 10 триллионов раз слабее гравитации, и иметь разрешение, в 100 000 раз превышающее разрешение современных методов поиска темной материи», — подчеркивают авторы исследования.
Однако прогресс остановился буквально на первом же этапе, когда ученые попытались измерить резонансную частоту тория-229 с максимальной точностью. Для определения резонансной частоты ядра, физики облучают его лазером с разной частотой и наблюдают, сколько энергии поглощает и излучает ядро во время перехода между квантовыми состояниями.
В течение почти 50 лет ученые не могли измерить резонансную частоту тория-229 с достаточной точностью для создания ядерных часов, однако в прошлом году было сделано сразу два важных открытия. Сначала группа из Национального института метрологии Германии (PTB) опубликовала относительно точные измерения. Через несколько месяцев группа из Университета Колорадо опубликовала результаты, которые оказались в несколько миллионов раз точнее. Теоретические расчеты, проведенные под руководством доктора Вольфрама Ратцингера из группы Переса, продемонстрировали, что новые измерения могут обнаружить влияние темной материи, даже если оно в 100 млн раз слабее гравитации.
«Нам все еще нужна еще большая точность для разработки ядерных часов. Но мы уже нашли возможность изучать темную материю. Во Вселенной, состоящей только из видимой материи, физические условия и спектр поглощения любого материала оставались бы неизменными. Но поскольку темная материя окружает нас, ее волновая природа может тонко изменять массу атомных ядер и вызывать временные сдвиги их спектра поглощения. Мы предположили, что способность обнаруживать мельчайшие отклонения в спектре поглощения тория-229 с высокой точностью может раскрыть влияние темной материи и помочь нам изучить ее свойства», — объясняет руководитель группы израильских исследователей Гилад Перес.
Как отмечает Ратцингер, это область, в которой еще никто не проводил поиски темной материи. По его словам, расчеты показывают, что поиска одних лишь сдвигов резонансной частоты недостаточно. Ратцингер убеждает, что для выявления влияния темной материи, необходимо обнаружить изменения по всему спектру поглощения.
«Хотя мы пока не обнаружили эти изменения, мы заложили основу для их понимания, когда они появляются. Обнаружив отклонение, мы сможем использовать его интенсивность и частоту, на которой оно проявляется, для расчета массы ответственной за него частицы темной материи. Позже в ходе исследования мы также рассчитали, как различные модели темной материи повлияют на спектр поглощения тория-229. Мы надеемся, что это в конечном итоге поможет определить, какие модели точны и из чего на самом деле состоит темная материя», — добавляет Ратцингер
Сейчас лаборатории по всему миру работают над тем, чтобы усовершенствовать методы измерения резонансной частоты тория-229. Однако этот процесс может занять еще не один год. Если ядерные часы будут наконец созданы, они приведут к революции во многих областях, включая наземную и космическую навигацию, связь, управление энергосетями и научные исследования.
Самым точным на сегодняшний день устройством для измерения времени являются атомные часы, работа которых основана на колебаниях электронов между двумя квантовыми состояниями. Они имеют высокую точность, но также и один существенный недостаток: они уязвимы к электрическим помехам окружающей среды, которые могут повлиять на их точность.
По мнению ученых, темная материя состоит из большого количества субатомных частиц, масса каждой из которых как минимум в тысячу раз меньше массы электрона. Ядерные часы позволили бы обнаруживать невероятно малые отклонения в своем движении, то есть крошечные сдвиги резонансной частоты, которые могли бы выявить влияние темной материи.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review
Источник: SciTechDaily
