Avanceret atomur gør en bedre detektor for mørkt stof

JILA-forskere har brugt et avanceret atomur til at indsnævre søgen efter undvigende mørkt stof, et eksempel på, hvordan løbende forbedringer af ure har værdi ud over tidtagning.

Ældre atomure, der opererer ved mikrobølgefrekvenser, har jagtet efter mørkt stof før, men det er første gang et nyere ur, opererer ved højere optiske frekvenser, og en ultrastabil oscillator for at sikre stabile lysbølger, er blevet udnyttet til at sætte mere præcise grænser for eftersøgningen. Forskningen er beskrevet i Fysisk gennemgangsbreve .

Astrofysiske observationer viser, at mørkt stof udgør det meste af "stoffet" i universet, men indtil videre har det unddraget sig fangst. Forskere over hele verden har ledt efter det i forskellige former. JILA-teamet fokuserede på ultralys mørkt stof, som i teorien har en lille masse (meget mindre end en enkelt elektron) og en enorm bølgelængde – hvor langt en partikel spreder sig i rummet – der kan være lige så stor som størrelsen af ​​dværggalakser. Denne type mørkt stof ville være bundet af tyngdekraften til galakser og dermed til almindeligt stof.

Ultralet mørkt stof forventes at skabe små udsving i to grundlæggende fysiske "konstanter":elektronens masse, og finstrukturkonstanten. JILA-teamet brugte et strontiumgitterur og en brintmaser (en mikrobølgeversion af en laser) til at sammenligne deres velkendte optiske frekvenser og mikrobølgefrekvenser, henholdsvis, til frekvensen af ​​lys, der resonerer i et ultrastabilt hulrum lavet af en enkelt krystal af rent silicium. De resulterende frekvensforhold er følsomme over for variationer over tid i begge konstanter. De relative fluktuationer af forhold og konstanter kan bruges som sensorer til at forbinde kosmologiske modeller af mørkt stof med accepterede fysikteorier.

JILA-teamet etablerede nye grænser på et gulv for "normale" udsving, ud over hvilke usædvanlige signaler, der opdages senere, kan skyldes mørkt stof. Forskerne begrænsede koblingsstyrken af ​​ultralet mørkt stof til elektronmassen og finstrukturkonstanten til at være i størrelsesordenen 10 ^-5 eller mindre, den mest præcise måling nogensinde af denne værdi.

JILA drives i fællesskab af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

"Ingen ved faktisk, på hvilket følsomhedsniveau du vil begynde at se mørkt stof i laboratoriemålinger, " NIST/JILA Fellow Jun Ye sagde. "Problemet er, at fysikken, som vi kender den, ikke er helt komplet på dette tidspunkt. Vi ved, at der mangler noget, men vi ved ikke helt, hvordan vi skal rette det endnu."

"Vi ved, at mørkt stof eksisterer fra astrofysiske observationer, men vi ved ikke, hvordan det mørke stof forbindes med almindeligt stof og de værdier, vi måler, "Ye tilføjede. "Eksperimenter som vores giver os mulighed for at teste forskellige teorimodeller, som folk har sat sammen for at prøve at udforske naturen af ​​mørkt stof. Ved at sætte bedre og bedre grænser, vi håber at udelukke nogle forkerte teorimodeller og til sidst gøre en opdagelse i fremtiden."

Forskere er ikke sikre på, om mørkt stof består af partikler eller oscillerende felter, der påvirker lokale miljøer, Du bemærkede. JILA-eksperimenterne er beregnet til at detektere mørkt stofs "trækkende" effekt på almindeligt stof og elektromagnetiske felter, han sagde.

Atomure er primære sonder for mørkt stof, fordi de kan detektere ændringer i fundamentale konstanter og forbedres hurtigt i præcision, stabilitet og pålidelighed. Hulrummets stabilitet var også en afgørende faktor i de nye målinger. Resonansfrekvensen af ​​lys i hulrummet afhænger af hulrummets længde, som kan spores tilbage til Bohr-radius (en fysisk konstant svarende til afstanden mellem kernen og elektronen i et brintatom). Bohr-radius er også relateret til værdierne af finstrukturens konstant og elektronmasse. Derfor, ændringer i resonansfrekvensen sammenlignet med overgangsfrekvenser i atomer kan indikere fluktuationer i disse konstanter forårsaget af mørkt stof.

Forskere indsamlede data om strontium/hulrumsfrekvensforholdet i 12 dage med uret kørende 30 % af tiden, resulterer i et datasæt 978, 041 sekunder lang. Brint-maser-dataene strakte sig over 33 dage, hvor maseren kørte 94 % af tiden, resulterer i en 2, 826, 942 sekunders rekord. Frekvensforholdet mellem brint og hulrum gav nyttig følsomhed over for elektronmassen, selvom maseren var mindre stabil og producerede mere støjende signaler end strontiumuret.

JILA-forskere indsamlede søgedata for mørkt stof under deres nylige demonstration af en forbedret tidsskala - et system, der inkorporerer data fra flere atomure for at producere et enkelt, meget nøjagtigt tidtagningssignal til distribution. Som udførelsen af ​​atomure, optiske hulrum og tidsskalaer forbedres i fremtiden, frekvensforholdene kan revurderes med stadig højere opløsning, yderligere at udvide rækkevidden af ​​søgninger efter mørkt stof.

"Hver gang man kører en optisk atomær tidsskala, der er en chance for at sætte en ny grænse på eller gøre en opdagelse af mørkt stof, " sagde du. "I fremtiden, når vi kan sætte disse nye systemer i kredsløb, det vil være det største 'teleskop' nogensinde bygget til at søge efter mørkt stof."