Ученые полагают, что если будут разработаны ядерные часы, которые используют атомное ядро для измерения времени с предельной точностью, то даже мельчайшие нарушения в их тиканье могут свидетельствовать о влиянии темной материи. В прошлом году физики из Германии и Колорадо совершили прорыв в создании таких часов, используя радиоактивный элемент торий-229. Когда исследователи из проф. Группа теоретической физики Гилада Переса в Институте науки Вейцмана узнала об этом достижении, они признали новую возможность продвинуть поиск темной материи еще до того, как полностью функционирующие ядерные часы станут реальностью. В сотрудничестве с немецкой командой они недавно опубликовали исследование в Physical Review X, в котором предлагается новый метод обнаружения влияния темной материи на свойства ядра тория-229.

Подобно тому, как раскачивание ребенка на качелях требует правильного выбора времени для поддержания плавного, последовательного движения, атомное ядро также обладает оптимальной частотой колебаний, известной в физике как его резонансная частота. Излучение именно на этой частоте может заставить ядро "раскачиваться" подобно маятнику между двумя квантовыми состояниями: основным и высокоэнергетическим. В большинстве материалов эта резонансная частота высока, и для возбуждения ядра требуется сильное излучение. Но в 1976 году ученые обнаружили, что торий-229, побочный продукт ядерной программы США, был редким исключением. Его собственная резонансная частота достаточно низка, чтобы ею можно было управлять с помощью стандартной лазерной технологии, использующей относительно слабое ультрафиолетовое излучение. Это сделало торий-229 многообещающим кандидатом для разработки ядерных часов, в которых время измеряется тем, что ядро "раскачивается" между квантовыми состояниями подобно маятнику в традиционных часах.

"Ядерные часы были бы идеальным детектором, способным воспринимать силы, в 10 триллионов раз более слабые, чем гравитация, с разрешением, в 100 000 раз превышающим разрешение современных поисков темной материи".

Однако прогресс в области ядерных часов застопорился на самом первом этапе, когда ученые попытались измерить резонансную частоту тория-229 с предельной точностью. Чтобы определить резонансную частоту ядра, физики направляют на него луч лазера с различными частотами и наблюдают, сколько энергии оно поглощает или испускает при переходе между квантовыми состояниями. Исходя из этих результатов, они строят спектр поглощения, и частота, которая вызывает пиковое поглощение, берется за резонансную частоту ядра.

В течение почти пяти десятилетий ученые не могли измерить резонансную частоту тория-229 с достаточной точностью, чтобы построить ядерные часы, но прошлый год принес два важных достижения. Во-первых, группа из Национального института метрологии Германии (PTB) опубликовала относительно точные измерения. Несколько месяцев спустя команда из Университета Колорадо опубликовала результаты, которые были в несколько миллионов раз точнее.

"Нам все еще нужна еще большая точность для разработки ядерных часов, - говорит Перес, - но мы уже определили возможность изучения темной материи". Он объясняет: "Во вселенной, состоящей только из видимой материи, физические условия и спектр поглощения любого материала оставались бы постоянными. Но поскольку темная материя окружает нас, ее волнообразная природа может незаметно изменять массу атомных ядер и вызывать временные сдвиги в их спектре поглощения. Мы предположили, что способность обнаруживать мельчайшие отклонения в спектре поглощения тория-229 с большой точностью могла бы выявить влияние темной материи и помочь нам изучить ее свойства".

Теоретические расчеты, сделанные командой под руководством доктора Вольфрама Ратцингера из группы Переса и других аспирантов, показали, что новые измерения могут обнаружить влияние темной материи, даже если оно в 100 миллионов раз слабее гравитации, силы, которая сама по себе слаба и редко приходит нам в голову в повседневной жизни. "Это область, где никто еще не искал темную материю", - говорит Ратцингер. "Наши расчеты показывают, что одного поиска сдвигов в резонансной частоте недостаточно. Нам нужно идентифицировать изменения по всему спектру поглощения, чтобы обнаружить эффект темной материи. Хотя мы еще не обнаружили этих изменений, мы заложили основу для того, чтобы понять их, когда они появятся. Как только мы обнаружим отклонение, мы сможем использовать его интенсивность и частоту, с которой оно появляется, для вычисления массы ответственной за это частицы темной материи. Позже в ходе исследования мы также рассчитали, как различные модели темной материи повлияют на спектр поглощения тория-229. Мы надеемся, что это в конечном счете поможет определить, какие модели являются точными и из чего на самом деле состоит темная материя".

Тем временем лаборатории по всему миру продолжают совершенствовать измерение резонансной частоты тория-229, и ожидается, что этот процесс займет годы. Если ядерные часы в конечном итоге будут разработаны, это может произвести революцию во многих областях, включая земную и космическую навигацию, связь, управление энергосистемой и научные исследования. Самыми точными устройствами для измерения времени на сегодняшний день являются атомные часы, которые основаны на колебаниях электронов между двумя квантовыми состояниями. Они отличаются высокой точностью, но у них есть один существенный недостаток: они уязвимы к электрическим помехам из окружающей среды, которые могут повлиять на их согласованность. Ядра атомов, напротив, гораздо менее чувствительны к таким возмущениям.

Научные цифры

Согласно ведущей модели темной материи, таинственная субстанция состоит из бесчисленного множества частиц, масса каждой из которых по меньшей мере в 1 000 000 раз меньше массы одного электрона.

"Когда дело доходит до темной материи, - говорит Перес, - ядерные часы на основе тория-229 были бы идеальным детектором. Прямо сейчас электрические помехи ограничивают нашу способность использовать атомные часы в поиске. Но ядерные часы позволили бы нам обнаружить невероятно незначительные отклонения в их тиканье - то есть крошечные сдвиги резонансной частоты, - которые могли бы выявить влияние темной материи. По нашим оценкам, это позволит нам обнаруживать силы, в 10 триллионов раз более слабые, чем гравитация, обеспечивая разрешение в 100 000 раз лучшее, чем то, которое мы имеем в настоящее время при поиске темной материи".

Европейский исследовательский совет (ERC) недавно выделил расширенный грант ERC профессору Дж. Группа Переса поддержит дальнейшее развитие этого направления исследований. Также в исследовании принимали участие проф. Элина Фукс и доктор Фиона Кирк из Национального института метрологии Германии (PTB), Брауншвейг, Германия, и Университета Лейбница в Ганновере, Германия; д-р Эрик Мэдж и Чайтанья Паранджапе из группы Переса на факультете физики элементарных частиц и астрофизики Вейцмана; и проф. Эккехард Пейк и доктор Йоханнес Тидау из Национального института метрологии Германии (PTB), Брауншвейг, Германия.