Materia oscura e gas nella simulazione Credito:Illustris Collaboration. Gli orologi ottici e le cavità di silicio cristallino migliorate possono migliorare i vincoli sulle possibili interazioni di materia oscura, campi e particelle nel modello standard.
Gli orologi ottici sono così precisi che ci vorrebbero circa 20 miliardi di anni, più dell'età dell'universo, per perdere o guadagnare un secondo. Ora, ricercatori negli Stati Uniti guidati dal gruppo di Jun Ye presso il National Institute of Standards and Technology e l'Università del Colorado hanno sfruttato la precisione e l'accuratezza del loro orologio ottico e la stabilità senza precedenti della loro cavità ottica in silicio cristallino per stringere i vincoli su ogni possibile accoppiamento tra particelle e campi nel modello standard della fisica e le componenti finora sfuggenti della materia oscura.
L'esistenza della materia oscura è indirettamente evidente dagli effetti gravitazionali su scala galattica e cosmologica, ma oltre a questo, poco si sa della sua natura. Uno degli effetti che cade dall'analisi teorica dell'accoppiamento della materia oscura con le particelle nel modello standard della fisica è un'oscillazione risultante nelle costanti fondamentali. Ye e i suoi collaboratori hanno pensato che se la loro attrezzatura metrologica di prim'ordine non fosse stata in grado di rilevare queste oscillazioni, allora questo risultato apparentemente nullo sarebbe un'utile conferma che la forza delle interazioni della materia oscura con le particelle nel modello standard della fisica deve essere addirittura inferiore a quella dettata dai vincoli finora registrati.
Valori fondamentali delle costanti di clock
I precedenti tentativi di individuare prove dirette della materia oscura vanno da esperimenti di laboratorio a enormi progetti di collisioni di particelle, come quelli del Large Hadron Collider (LHC). Molti di questi sforzi hanno cercato interazioni con, ad esempio, particelle massive debolmente interagenti (WIMP), che hanno masse simili a un atomo d'argento nell'intervallo di 100 GeV, o assioni:una particella ipotizzata destinata a spiegare elementi di fisica delle particelle, e che potrebbe adattarsi alle teorie della materia oscura. Però, Ye e i suoi collaboratori hanno usato il loro orologio ottico e i dispositivi a cavità per individuare possibili interazioni tra materia oscura e particelle all'estremità inferiore dello spettro di massa molto al di sotto di 1 eV, che è 500, 000 volte più piccola della massa di un elettrone a riposo.
Gli orologi ottici sono un tipo di orologio atomico. I primi orologi atomici sfruttavano le transizioni iperfini negli atomi di cesio 133, quando gli elettroni nell'atomo di cesio 133 capovolgono gli spin, la risultante variazione dell'energia dello stato dell'atomo viene emessa come radiazione elettromagnetica con una frequenza caratteristica nell'intervallo delle microonde. Però, le transizioni tra orbitali elettronici negli atomi di stronzio portano a cambiamenti di energia con una frequenza corrispondente molto più alta nel campo ottico, e ora che la tecnologia è stata sviluppata per misurare queste transizioni, è possibile mantenere il tempo con una precisione ancora maggiore. Inoltre, la frequenza degli orologi ottici è direttamente correlata a certe costanti fondamentali, fornendo un percorso per misurare le potenziali variazioni di queste quantità con una precisione senza precedenti.
Ye e collaboratori hanno usato il loro orologio ottico per cercare eventuali variazioni della costante fondamentale α, la costante di struttura fine, che definisce la forza delle interazioni tra particelle cariche e fotoni. A tal fine, hanno confrontato la frequenza degli atomi di stronzio utilizzati nell'orologio ottico con la loro cavità di silicio cristallino, un dispositivo utilizzato nei laser che consente alle onde elettromagnetiche di rimbalzare tra superfici riflettenti opposte e creare un'onda stazionaria con una frequenza caratteristica determinata dalla lunghezza della cavità. La frequenza di entrambi i dispositivi è definita in termini sia di α che di m e (un'altra costante fondamentale che dà la massa dell'elettrone) ma con diverse dipendenze, cosicché il rapporto tra le due frequenze rivela eventuali variazioni della costante α.
"Le persone hanno usato orologi atomici alle frequenze delle microonde per limitare i limiti delle forze di accoppiamento della materia oscura, ma questo lavoro rappresenterebbe i primi risultati sull'uso di orologi atomici ottici per fornire vincoli sulla segnatura oscillatoria della materia oscura, "dice Si.
Oltre a confrontare la frequenza della cavità con gli atomi di clock, i ricercatori lo hanno confrontato con la frequenza di un maser a idrogeno, uno standard di frequenza a microonde che genera radiazioni in base alle transizioni tra i diversi stati di spin elettronici e nucleari nell'atomo di idrogeno. Sebbene il maser a idrogeno non fornisca un cronometraggio accurato come l'orologio ottico a base di stronzio, le transizioni energetiche su cui si basa portano ad una diversa relazione tra la frequenza e le costanti α e m e, tale che il rapporto della sua frequenza con quella della cavità di silicio cristallino fornisca una sonda per le variazioni del valore di m e , anche. Mentre le oscillazioni nel valore di α indicherebbero interazioni tra materia oscura e campi elettromagnetici, oscillazioni in m e rivelerebbe interazioni con la massa dell'elettrone.
I rapporti di frequenza misurati tra la cavità e sia l'orologio ottico che il maser a idrogeno traggono vantaggio anche da un altro vantaggio cruciale:la stabilità della cavità di silicio cristallino. "La maggior parte delle cavità sono fatte di vetro che è un disordinato, solido amorfo che ha molta deriva dimensionale e instabilità, " spiega Colin Kennedy, un ricercatore nel gruppo di Ye e primo autore nella relazione di questi risultati, evidenziando il vantaggio di utilizzare una cavità costituita da un unico grande cristallo di silicio. "Questa nuova generazione di cavità è costituita da singoli cristalli di silicio e viene mantenuta anche a temperature criogeniche, rendendoli ordini di grandezza più stabili. Questo è il vantaggio principale del nostro lavoro".
Ci stiamo avvicinando alla materia oscura
Mentre (come previsto) i ricercatori non hanno osservato oscillazioni nelle costanti fondamentali dovute alle interazioni con la materia oscura, i loro dati hanno ristretto la gamma di possibili valori che i parametri di questa interazione potrebbero avere. Per particelle di materia oscura con masse nell'intervallo da 4.5 × 10 −16 fino a 1 × 10 −19 eV, la possibile forza delle interazioni della materia oscura definita da α è vincolata da un ulteriore fattore fino a cinque da questi risultati, e quelli definiti da m e sono vincolati fino a un fattore 100 per masse comprese tra 2 × 10 −19 e 2 × 10 −21 eV.
"L'idea di utilizzare una frequenza di risonanza della cavità ottica da confrontare con una frequenza atomica è stata proposta per la prima volta in uno scambio di e-mail tra me e il prof. Victor Flambaum, "Ye dice a phys.org, ricordando il loro scambio intorno al 2015. Mentre Flambaum ha scritto molto rapidamente un documento che descrive le idee di base di cui hanno discusso, Ye dice che "voleva vedere i risultati sperimentali. Ed eccoci qui".
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