I ricercatori della JILA hanno utilizzato un orologio atomico all'avanguardia per restringere la ricerca dell'elusiva materia oscura, un esempio di come i continui miglioramenti negli orologi abbiano un valore oltre il cronometraggio.

I vecchi orologi atomici che funzionano alle frequenze delle microonde hanno già dato la caccia alla materia oscura, ma questa è la prima volta che un orologio nuovo, operando a frequenze ottiche più elevate, e un oscillatore ultra stabile per garantire onde luminose costanti, sono stati imbrigliati per fissare limiti più precisi alla ricerca. La ricerca è descritta in Lettere di revisione fisica .

Le osservazioni astrofisiche mostrano che la materia oscura costituisce la maggior parte della "roba" nell'universo, ma finora è sfuggita alla cattura. I ricercatori di tutto il mondo lo hanno cercato in varie forme. Il team JILA si è concentrato sulla materia oscura ultraleggera, che in teoria ha una massa piccolissima (molto meno di un singolo elettrone) e una lunghezza d'onda enorme - quanto lontano si diffonde una particella nello spazio - che potrebbe essere grande quanto le dimensioni delle galassie nane. Questo tipo di materia oscura sarebbe legato dalla gravità alle galassie e quindi alla materia ordinaria.

Si prevede che la materia oscura ultraleggera crei minuscole fluttuazioni in due "costanti" fisiche fondamentali:la massa dell'elettrone, e la costante di struttura fine. Il team JILA ha utilizzato un orologio a reticolo di stronzio e un maser a idrogeno (una versione a microonde di un laser) per confrontare le loro ben note frequenze ottiche e microonde, rispettivamente, alla frequenza della luce che risuona in una cavità ultrastabile costituita da un singolo cristallo di puro silicio. I rapporti di frequenza risultanti sono sensibili alle variazioni nel tempo di entrambe le costanti. Le fluttuazioni relative dei rapporti e delle costanti possono essere utilizzate come sensori per collegare modelli cosmologici della materia oscura a teorie fisiche accettate.

Il team JILA ha stabilito nuovi limiti su un piano per le fluttuazioni "normali", oltre il quale eventuali segnali insoliti scoperti in seguito potrebbero essere dovuti alla materia oscura. I ricercatori hanno vincolato la forza di accoppiamento della materia oscura ultraleggera alla massa dell'elettrone e la costante di struttura fine ad essere dell'ordine di 10 ^-5 o meno, la misurazione più precisa in assoluto di questo valore.

JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Università del Colorado Boulder.

"Nessuno sa effettivamente a quale livello di sensibilità inizierai a vedere la materia oscura nelle misurazioni di laboratorio, Il membro del NIST/JILA Jun Ye ha detto. "Il problema è che la fisica come la conosciamo non è del tutto completa a questo punto. Sappiamo che manca qualcosa, ma non sappiamo ancora come risolverlo".

"Sappiamo che la materia oscura esiste dalle osservazioni astrofisiche, ma non sappiamo come la materia oscura si colleghi alla materia ordinaria e ai valori che misuriamo, Ye ha aggiunto. "Esperimenti come il nostro ci permettono di testare vari modelli teorici che le persone hanno messo insieme per cercare di esplorare la natura della materia oscura. Fissando limiti sempre migliori, speriamo di escludere alcuni modelli teorici errati e alla fine fare una scoperta in futuro".

Gli scienziati non sono sicuri se la materia oscura sia costituita da particelle o campi oscillanti che influenzano gli ambienti locali, Hai notato. Gli esperimenti JILA hanno lo scopo di rilevare l'effetto di "trazione" della materia oscura sulla materia ordinaria e sui campi elettromagnetici, Egli ha detto.

Gli orologi atomici sono sonde principali per la materia oscura perché possono rilevare i cambiamenti nelle costanti fondamentali e stanno migliorando rapidamente in precisione, stabilità e affidabilità. Anche la stabilità della cavità è stata un fattore cruciale nelle nuove misurazioni. La frequenza di risonanza della luce nella cavità dipende dalla lunghezza della cavità, che può essere ricondotto al raggio di Bohr (una costante fisica pari alla distanza tra il nucleo e l'elettrone in un atomo di idrogeno). Il raggio di Bohr è anche correlato ai valori della costante di struttura fine e della massa dell'elettrone. Perciò, i cambiamenti nella frequenza di risonanza rispetto alle frequenze di transizione negli atomi possono indicare fluttuazioni in queste costanti causate dalla materia oscura.

I ricercatori hanno raccolto dati sul rapporto di frequenza stronzio/cavità per 12 giorni con l'orologio in funzione il 30% del tempo, risultante in un set di dati 978, 041 secondi di durata. I dati del maser a idrogeno hanno abbracciato 33 giorni con il maser in funzione il 94% del tempo, risultando in un 2, 826, Record di 942 secondi. Il rapporto di frequenza idrogeno/cavità ha fornito un'utile sensibilità alla massa dell'elettrone sebbene il maser fosse meno stabile e producesse segnali più rumorosi rispetto all'orologio allo stronzio.

I ricercatori JILA hanno raccolto i dati della ricerca sulla materia oscura durante la loro recente dimostrazione di una scala temporale migliorata, un sistema che incorpora i dati di più orologi atomici per produrre un singolo, segnale di cronometraggio altamente accurato per la distribuzione. Come le prestazioni degli orologi atomici, cavità ottiche e tempi di scala migliora in futuro, i rapporti di frequenza possono essere riesaminati con risoluzione sempre maggiore, estendendo ulteriormente la portata delle ricerche sulla materia oscura.

"Ogni volta che si esegue una scala temporale atomica ottica, c'è la possibilità di stabilire un nuovo limite o fare una scoperta della materia oscura, " Ye ha detto. "In futuro, quando potremo mettere in orbita questi nuovi sistemi, sarà il più grande 'telescopio' mai costruito per la ricerca della materia oscura".