Впервые ядерные часы были использованы для исследования свойств темной материи

Фото из открытых источников

Еще в 2024 году совместная работа исследователей из Венского технического университета (Австрия) и Национального института стандартов и технологий (США) объявила о разработке первых оптических ядерных часов. Спустя почти два года они продолжили совершенствовать это устройство и теперь могут использовать его для поиска необычных физических эффектов. Статья, которая еще не прошла рецензирование, доступна на ArXiv.

«С помощью этого первого прототипа мы доказали: торий можно использовать в качестве хронометра для сверхточных измерений. Осталось только провести техническую разработку, и никаких серьезных препятствий больше не ожидается», — заявил два года назад соавтор Торстен Шумм из Венского технического университета.

Экстремальная хронометрия осуществляется с помощью лазеров и атомов. Настраивая лазер на «резонансную частоту» электронов атома — точную частоту, на которой они поглощают энергию лазера, — можно заставить их перескакивать между энергетическими уровнями. Эти перескоки можно обнаружить, и откалиброванный лазер затем можно использовать для измерения течения времени. 

В стандартных атомных часах используется лазер микроволнового диапазона, а в качестве атомов применяются атомы цезия. В более современных оптических ядерных часах ученые используют более короткие длины волн и другие атомы, что приводит к гораздо большей точности. Но электроны по-прежнему лежат в основе измерений.

Именно это делает часы на основе тория-229 такими интересными. В них не используется электронный переход, а калибровка лазера осуществляется по резонансной частоте ядра атома. Энергетический переход на ядерном уровне гораздо стабильнее электронного, что дает преимущество, благодаря которому подобные устройства становятся во много раз точнее.

Но если ядерные часы так хороши, почему мы не используем их постоянно? Проблема в том, что ядерные переходы обычно требуют гораздо большей энергии, чем электронные переходы, и поэтому могут быть осуществлены только с помощью рентгеновского лазера. Торий-229 является исключением: он имеет самый низкий скачок ядерной энергии среди всех известных атомов, требующий ультрафиолетового излучения, что значительно упрощает его использование.

Обычные оптические атомные часы по-прежнему имеют преимущество перед новыми ториевыми часами. Это связано с тем, что до сих пор существуют неопределенности в точном значении резонансной частоты ядра тория. Тем не менее, новая система догоняет их.

Ториевые часы теряют несколько десятков секунд каждые миллиард лет. Кроме того, им не нужно находиться в вакууме или вблизи абсолютного нуля, что требуется в современной установке, определяющей стандартное значение секунды. Торий внедрен в кристалл фторида кальция и используется при комнатной температуре.

Ядерные часы также менее подвержены влиянию электромагнитных взаимодействий, воздействующих на электроны, вращающиеся вокруг атома. По этой причине, несмотря на меньшую точность, этот прототип можно использовать для проверки физических свойств, которые могут влиять на другие типы часов, включая гравитацию.

Как сообщается в статье, ожидающей рецензирования, команда использовала её для уточнения моделей сверхлёгкой тёмной материи. Тёмная материя — это гипотетическое вещество, существующее во Вселенной, но оно невидимо, поскольку взаимодействует только гравитационно, а не со светом (или, по крайней мере, не очень сильно). Согласно некоторым гипотезам, тёмная материя может состоять из частиц с очень малой массой. В таких сценариях она вызывала бы флуктуации энергии ядерного перехода.

Группе удалось уточнить модели с точностью, сравнимой с точностью оптических часов, хотя и для несколько иной модели сверхлегкой темной материи. Часы также обеспечивают более точные измерения связи кварков — компонентов протонов и нейтронов в ядре — и сильного ядерного взаимодействия, удерживающего ядро вместе.