Præcisionsmetrologi lukker ind for mørkt stof

Optiske ure er så nøjagtige, at det ville tage anslået 20 milliarder år - længere end universets alder - at tabe eller vinde et sekund. Nu, forskere i USA ledet af Jun Yes gruppe ved National Institute of Standards and Technology og University of Colorado har udnyttet præcisionen og nøjagtigheden af ​​deres optiske ur og den hidtil usete stabilitet af deres krystallinske silicium optiske hulrum til at stramme begrænsningerne på enhver mulig kobling mellem partikler og felter i fysikkens standardmodel og de hidtil uhåndgribelige komponenter af mørkt stof.

Eksistensen af ​​mørkt stof er indirekte tydeligt fra gravitationseffekter på galaktiske og kosmologiske skalaer, men derudover, lidt er kendt om dens natur. En af de effekter, der falder ud af teoretisk analyse af mørkt stofs kobling til partikler i standardmodellen for fysik, er en resulterende oscillation i fundamentale konstanter. Ye og samarbejdspartnere regnede med, at hvis deres metrologiudstyr i verdensklasse ikke kunne registrere disse svingninger, så ville dette tilsyneladende nulresultat være nyttig bekræftelse af, at styrken af ​​mørkt stofs interaktioner med partikler i fysikstandardmodellen skal være endnu lavere end dikteret af de hidtil registrerede begrænsninger.

Uring af fundamentale konstantværdier

Tidligere forsøg på at fastlægge direkte beviser for mørkt stof spænder fra laboratorieforsøg til enorme partikelkolliderprojekter, såsom dem ved Large Hadron Collider (LHC). Mange af disse bestræbelser har ledt efter interaktioner med, for eksempel, svagt interagerende massive partikler (WIMP'er), som har masser svarende til et sølvatom i området 100 GeV, eller aksioner - en hypotese partikel beregnet til at forklare elementer af partikelfysik, og som måske passer med teorier om mørkt stof. Imidlertid, Ye og hans samarbejdspartnere brugte deres optiske ur og hulrumsenheder til at finde ud af mulige interaktioner mellem mørkt stof og partikler i den nedre ende af massespektret langt under 1 eV, hvilket er 500,- 000 gange mindre end massen af ​​en elektron i hvile.

Optiske ure er en type atomur. De første atomure udnyttede hyperfine overgange i atomer af cæsium 133 - når elektronerne i cæsium 133 atomet drejer rundt, den resulterende ændring i energien i atomets tilstand udsendes som elektromagnetisk stråling med en karakteristisk frekvens i mikrobølgeområdet. Imidlertid, overgangene mellem elektronorbitaler i strontiumatomer fører til energiændringer med en meget højere tilsvarende frekvens i det optiske område, og nu hvor teknologien er blevet udviklet til at måle disse overgange, endnu højere nøjagtighed tidsregistrering er mulig. Hvad er mere, frekvensen af ​​optiske ure er direkte relateret til visse fundamentale konstanter, giver en vej til at måle de potentielle variationer af disse mængder med hidtil uset nøjagtighed.

Ye og samarbejdspartnere brugte deres optiske ur til at søge efter eventuelle variationer i den fundamentale konstant α, den fine struktur konstant, som definerer styrken af ​​interaktioner mellem ladede partikler og fotoner. Til denne ende, de sammenlignede frekvensen af ​​strontiumatomerne brugt i det optiske ur med deres krystallinske siliciumhulrum, en enhed, der bruges i lasere, der tillader elektromagnetiske bølger at hoppe mellem modstående reflekterende overflader og skabe en stående bølge med en karakteristisk frekvens bestemt af hulrummets længde. Frekvensen af ​​begge enheder er defineret som både α og m _e (en anden fundamental konstant, der giver elektronens masse), men med forskellige afhængigheder, således at forholdet mellem de to frekvenser afslører eventuelle variationer i konstanten α.

"Folk har brugt atomure ved mikrobølgefrekvenser til at begrænse grænserne for koblingsstyrker for mørkt stof, men dette arbejde ville repræsentere de første resultater om brugen af ​​optiske atomure til at give begrænsninger på den oscillerende signatur af mørkt stof, " siger Ye.

Udover at sammenligne hulrumsfrekvensen med uratomerne, forskerne sammenlignede det med frekvensen af ​​en brintmaser - en mikrobølgefrekvensstandard, der genererer stråling baseret på overgange mellem forskellige elektroniske og nukleare spintilstande i brintatomet. Selvom brintmaseren ikke giver tidtagning så nøjagtig som det strontium-baserede optiske ur, de energiovergange, den er baseret på, fører til en anden sammenhæng mellem frekvens og konstanterne α og m _e, sådan at forholdet mellem dets frekvens og det krystallinske siliciumhulrum giver en sonde for variationer i værdien af ​​m _e , såvel. Mens oscillationer i værdien af ​​α ville indikere interaktioner mellem mørkt stof og elektromagnetiske felter, svingninger i m _e ville afsløre interaktioner med elektronmassen.

De målte frekvensforhold mellem hulrummet og både det optiske ur og brintmaseren trækker også på en anden afgørende fordel - stabiliteten af ​​det krystallinske siliciumhulrum. "De fleste hulrum er lavet af glas, som er en uorden, amorft fast stof, der har en masse dimensionsdrift og ustabilitet, " forklarer Colin Kennedy, en forsker i Yes gruppe og førsteforfatter i rapporten om disse resultater, fremhæver fordelen ved at bruge et hulrum, der består af en stor enkelt krystal af silicium. "Denne nye generation af hulrum er lavet af enkeltkrystaller af silicium og holdes også ved kryogene temperaturer, gør dem mere stabile i størrelsesordener. Dette er den vigtigste fordel ved vores arbejde."

Lukkede ind mod mørkt stof

Mens (som forventet) forskerne ikke observerede svingninger i de grundlæggende konstanter på grund af interaktioner med mørkt stof, deres data indsnævrede rækken af ​​mulige værdier, parametrene for denne interaktion kunne have. For mørkt stof partikler med masser i området fra 4,5 × 10 ⁻¹⁶ ned til 1 × 10 ⁻¹⁹ eV, den mulige styrke af mørkt stof-interaktioner defineret af α er begrænset af en yderligere faktor på op til fem af disse resultater, og dem, der er defineret af m _e er begrænset med så meget som en faktor 100 for masser mellem 2 × 10 ⁻¹⁹ og 2 × 10 ⁻²¹ eV.

"Ideen om at bruge en optisk kavitetsresonansfrekvens til at sammenligne med en atomfrekvens blev først foreslået i en e-mailudveksling mellem mig og prof. Victor Flambaum, "Ye fortæller phys.org, minde om deres udveksling omkring 2015. Mens Flambaum meget hurtigt skrev et papir, der beskrev de grundlæggende ideer, de diskuterede, Ye siger, at han "ønskede at se de eksperimentelle resultater. Og her er vi."

© 2020 Science X Network