Атомные часы — не только сверхточный способ для измерения времени. Британские исследователи анализируют данные таких устройств, чтобы изучать астрофизику на Земле. «Хайтек» рассказывает, как тиканье часов поможет в поиске таинственных сверхлегких аксионов.
Стандартная космологическая модель (модель ΛCDM) предполагает, что Вселенная только на 4,9% состоит из «обычной» барионной материи. Другие составляющие — невидимая темная материя, доля которой составляет 26,8%, и отвечающая за ускоренное расширение Вселенной темная энергия — 68,3%.
Астрофизики считают, что большинство галактик окутано облаком темной материи. Наиболее распространенная гипотеза предполагает, что в отличие от барионного вещества такая материя не взаимодействует с электромагнитным излучением, а потому ее нельзя увидеть.
Но о присутствии темной материи можно судить по гравитационным эффектам. Например, искривление света рядом с гигантскими космическими объектами — группами и скоплениями галактик — свидетельствует о большей массе, чем составляют наблюдаемые объекты (звезды, газ, пыль и черные дыры). Также барионная масса не объясняет слишком быстрое вращение гигантских звезд и движение галактик.
Хотя наблюдения фиксируют описанные эффекты и косвенно подтверждают существование темной материи, исследователи до сих пор не нашли составляющие ее частицы. Физики из Университета Сассекса и Национальной физической лаборатории Великобритании используют атомные часы для анализа свойств аксионов — гипотетических сверхлегких частиц, которые могут составлять темную материю.
Как работают атомные часы?
Принцип работы любых часов основан на отсчете количества повторений регулярных действий, соответствующих заданному промежутку времени. В механических часах, например, механизм фиксирует заданное количество колебаний маятника. А в наиболее распространенных кварцевых часах действие происходит в кристалле кварца определенного размера, который сжимается и разжимается под воздействием электрического тока.
Всего через час даже самые эффективные кварцевые генераторы отклонятся на наносекунду. В повседневной жизни такая погрешность не имеет значения, но, например, для работы спутников навигации или измерения фундаментальных констант Вселенной ее недостаточно.
Для повышения точности измерения времени инженеры разработали часы, которые используют другой принцип — собственные колебания в атомах. Число электронов, движущихся вокруг ядра, может варьироваться, но они должны занимать дискретные энергетические уровни или орбиты.
Под воздействием энергии в виде микроволн электрон поднимается на более высокую орбиту вокруг ядра. Чтобы совершить этот прыжок, частица должна получить необходимое количество энергии — то есть микроволны должны иметь очень определенную частоту, уникальную для каждого химического элемента.
Атомные часы сочетают кварцевый генератор с группой атомов определенного химического элемента (как правило цезия). В таких часах атомы возбуждаются микроволнами с частотой, заданной кварцевым генератором. Чем ближе она к частоте, необходимой для перехода электронов в возбужденное состояние, тем в большем числе атомов произойдет переход.
Если частота «неправильная», перепрыгнет гораздо меньше электронов. Это позволяет рассчитать погрешность квантового генератора и скорректировать оценку времени. Поправка рассчитывается и применяется к кварцевому генератору каждые несколько секунд. В результате такие часы рассчитывают время с минимальной погрешностью. Например, часы Национального института стандартов и технологий «убегут» на одну секунду за 100 млн лет.
Как атомные часы помогут в поиске аксионов?
Стандартная модель физики элементарных частиц предполагает, что атомные часы должны идти с фиксированной скоростью — например, для атомов цезия-133 за секунду должно происходить 9 192 631 770 переходов электронов в возбужденное состояние. Но если во Вселенной существуют аксионоподобные частицы, они будут влиять на точность работы часов.
Теоретические модели показывают, что аксионы и другие сверхлегкие частицы, которые могут составлять темную материю, крайне слабо взаимодействуют с обычной материей. Такие частицы будут «ударять» по строительным блокам атома и незначительно нарушать естественные колебания, основанные на стандартной модели.
Удары сверхлегких частиц темной материи по строительным блокам атома приведут к изменению во времени фундаментальных констант Вселенной. В исследовании, опубликованном в New Journal of Physics, физики показывают, как они повлияют на постоянную тонкой структуры («альфу»), характеризующую силу электромагнитного взаимодействия.
Поскольку атомные часы являются удивительно точными устройствами, они обнаружат эти удары и подтвердят существование сверхлегкой темной материи.
Сравнивая показания двух видов часов, одни из которых более чувствительны к изменениям альфа, а другие — менее чувствительны, мы можем получить предел изменения во времени этой фундаментальной константы и, таким образом, установить ограничения на сверхлегкие частицы.
Ксавье Кальме, руководитель проекта и профессор физики в Университете Сассекса
Физики пока только начинают исследования. Их работы описывает теоретическую модель и методы, которые можно будет использовать для анализа. Практическое исследование — впереди. В случае успеха проекта, анализ откроет «новую физику» — элементарные частицы, выходящие за пределы стандартной модели.
Читать далее:
Физики впервые наблюдали «кольца Алисы»: квантовый вход в «зазеркалье»
Исследователи превратили раковые клетки в мышечную ткань
Посмотрите, как Сатурн максимально приблизился к Земле
На обложке: Изображение от pikisuperstar на Freepik