Японскими учёными созданы атомные часы на иттербии для выявления тёмной материи

Фото из открытых источников

Японскими физиками разработаны сверхточные и сверхчувствительные атомные часы на базе иттербия, способные исследовать пределы Стандартной модели и даже обнаруживать неуловимую темную материю. Руководитель проекта Таики Исияма, доктор философии и физик из японской Высшей школы науки Киотского университета, применил редкий орбитальный переход в атомах, долгое время считавшийся многообещающим, но чересчур трудным для измерений с высокой точностью. Исследование опубликовали в журнале Nature Photonics.

Команда уверена, что их подход даст возможность провести одни из самых точных проверок предсказаний Стандартной модели, объясняющей три из четырех фундаментальных сил, что управляют Вселенной: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия. Атомные часы могут измерять время через фиксацию процесса, когда электроны перескакивают между двумя конкретными энергетическими уровнями внутри атомов. Обычно для этого используют цезий-133, действующий как высокостабильный натуральный маятник. Данные переходы идут на крайне стабильных частотах, делающих атомные часы самыми точными из когда-либо созданных.

Максимально точные атомные часы сдерживают атомы в оптической решетке — это структура из света и тени, образованная пересекающимися лазерами. Они функционируют на оптических частотах при сотнях триллионов колебаний в секунду. Часть из них, в частности, стронциевые оптические решетчатые часы, имеют погрешность менее секунды за 30 миллиардов лет. Но исследователи стремятся достичь еще большей чувствительности, задействовав редкий тип орбитального перехода в атомах иттербия.

Он происходит между конфигурациями при участии внутреннего электрона глубоко внутри атома. Теоретически у данного перехода высока чувствительность к новым физическим явлениям, в частности, к темной материи, но долго его не удавалось зафиксировать с точностью, аналогичной точности обычных часовых переходов, что используют в стандартных атомных часах.

Как отмечает Исияма, его команде удалось впервые наблюдать такой переход в 2023 году, а потом это сделали и несколько других групп. Но разрешающая способность измерений тогда оставалась хуже, нежели у современных оптических часов. Причиной во многом были помехи со стороны тех самых лазеров, которые использовали для удержания атомов. Чтобы решить проблему, эксперты воспользовались техникой «волшебная длина волны», сумевшей удерживать атомы иттербия в трехмерной оптической решетке.

Комбинаци этого приёма с высокостабилизированным возбуждающим лазером позволила команде достичь узкой спектральной ширины линии в 80 Гц, а это на два порядка лучше, нежели предыдущие результаты. Что дало возможность осуществить серию высокоточных измерений. Более того, командой проведено измерение изотопного сдвига и исследование того, как частота перехода меняется между разными формами атомов иттербия. Сдвиги удалось измерить с точностью до одной миллиардной доли.

Как подчеркивает Исияма, новая технология стала мощным инструментом для поиска новых бозонов, которые опосредуют взаимодействия между электронами и нейтронами за пределами Стандартной модели. Исследованием установлены строгие ограничения на вероятные эффекты при конкретных предположениях и улучшены модели атомного и ядерного поведения. Также учёным удалось показать, что внутренние переходы отныне могут контролироваться очень точно. Разработка ещё и открывает путь к созданию оптических решетчатых часов, что будут сочетать высокую точность измерений с особой чувствительностью к новым физическим явлениям.