Новости космоса и технологий. » Физика » Прецизионная метрология приближается к темной материи

Прецизионная метрология приближается к темной материи

Опубликовал: Admin, 27-10-2020, 01:01, Физика, 44, 0

Прецизионная метрология приближается к темной материи

Оптические часы настолько точны, что, по оценкам, потребуется около 20 миллиардов лет - больше, чем возраст Вселенной - чтобы потерять или выиграть секунду. Теперь исследователи из США во главе с группой Джун Йе из Национального института стандартов и технологий и Университета Колорадо использовали точность и точность своих оптических часов и беспрецедентную стабильность своего оптического резонатора из кристаллического кремния, чтобы ужесточить ограничения на любые возможная связь между частицами и полями в стандартной модели физики и до сих пор неуловимыми компонентами темной материи.

Существование темной материи косвенно подтверждается гравитационными эффектами галактического и космологического масштабов, но помимо этого мало что известно о ее природе. Один из эффектов, который выпадает из теоретического анализа взаимодействия темной материи с частицами в стандартной модели физики, - это возникающие колебания в фундаментальные константы . Йе и его сотрудники пришли к выводу, что если их метрологическое оборудование мирового класса не сможет обнаружить эти колебания, то этот очевидно нулевой результат будет полезным подтверждением того, что сила взаимодействия темной материи с частицами в стандартной модели физики должна быть даже ниже, чем диктуется ограничения пока зарегистрированы.

Значения основных констант синхронизации

Предыдущие попытки найти прямые доказательства существования темной материи варьируются от лабораторных экспериментов до проектов огромных коллайдеров частиц, например, на Большом адронном коллайдере (LHC). Многие из этих усилий были направлены на поиск взаимодействия, например, со слабо взаимодействующими массивными частицами (WIMP), которые имеют массы, подобные атому серебра в диапазоне 100 ГэВ, или аксионами - гипотетической частицей, предназначенной для объяснения элементов физики элементарных частиц, и что могло бы соответствовать теориям темной материи. Однако Е и его сотрудники использовали свои оптические часы и полость устройства, позволяющие сосредоточить внимание на возможных взаимодействиях между темной материей и частицами на нижнем конце масс-спектра намного ниже 1 эВ, что в 500000 раз меньше массы покоящегося электрона.

Оптические часы - это разновидность атомных часов. Первые атомные часы использовали сверхтонкие переходы в атомах цезия 133 - когда электроны в атоме цезия 133 переворачивают спины, результирующее изменение энергии состояния атома испускается как электромагнитное излучение с характерной частотой в микроволновом диапазоне. Однако переходы между электронными орбиталями в атомах стронция приводят к изменениям энергии с гораздо более высокой соответствующей частотой в оптическом диапазоне, и теперь, когда была разработана технология для измерения этих переходов, стало возможно даже более точное измерение времени. Более того, частота оптических часов напрямую связана с определенными фундаментальными константами, обеспечивая путь к измерению потенциальных изменений этих величин с беспрецедентной точностью.

Йе и его сотрудники использовали свои оптические часы для поиска любых изменений фундаментальной постоянной α, постоянной тонкой структуры, которая определяет силу взаимодействия между заряженными частицами и фотонами. С этой целью они сравнили частоту атомов стронция, используемых в оптических часах, с их резонатором из кристаллического кремния, устройством, используемым в лазерах, которое позволяет электромагнитным волнам отражаться между противоположными отражающими поверхностями и создавать стоячую волну с характеристическая частота определяется длиной полости. Частота обоих устройств определяется как α, так и m е (другая фундаментальная константа, которая дает массу электрона), но с разными зависимостями, так что соотношение между двумя частотами выявляет любые изменения константы α.

«Люди использовали атомные часы на микроволновых частотах, чтобы ограничить пределы силы связи темной материи, но эта работа представит первые результаты по использованию оптических атомных часов для обеспечения ограничений на колебательную сигнатуру темной материи», - говорит Йе.

Помимо сравнения частоты резонатора с часами атомов, исследователи сравнили ее с частотой водородного мазера - микроволнового стандарта частоты, который генерирует излучение на основе переходов между различными электронными и ядерными спиновыми состояниями в атоме водорода. Хотя водородный мазер не обеспечивает такой точности измерения времени, как оптические часы на основе стронция, энергетические переходы, на которых он основан, приводят к другому соотношению между частотой и константами α и m е, так что отношение его частоты к частоте резонатора из кристаллического кремния дает возможность измерить изменение значения m е , также. В то время как колебания в значении α указывают на взаимодействие между темной материей и электромагнитными полями, колебания в m е обнаружил бы взаимодействия с массой электрона.

Измеренные отношения частот между резонатором, оптическими часами и водородным мазером также имеют еще одно важное преимущество - стабильность резонатора из кристаллического кремния. «Большинство полостей сделаны из стекла, которое представляет собой неупорядоченное аморфное твердое тело, которое имеет большой размерный дрейф и нестабильность», - объясняет Колин Кеннеди, исследователь из группы Йе и первый автор отчета об этих результатах, подчеркивая преимущества использования Полость состоит из одного большого монокристалла кремния. «Это новое поколение полостей сделано из монокристаллов кремния и также поддерживается при криогенных температурах, что делает их на порядки более стабильными. Это ключевое преимущество нашей работы».

Закрытие темной материи

Хотя (как и ожидалось) исследователи не наблюдали колебаний фундаментальных констант из-за взаимодействия с темной материей, их данные сузили диапазон возможных значений, которые могли иметь параметры этого взаимодействия. Для частиц темной материи с массами в диапазоне от 45 × 10 −16 до 1 × 10 −19 эВ, возможная сила взаимодействий темной материи, определяемая параметром α, ограничивается дополнительным коэффициентом до пяти этими результатами, а также теми, которые определены параметром m е ограничены коэффициентом 100 для масс от 2 × 10 −19 и 2 × 10 −21 эВ.

«Идея использования резонансной частоты Оптического резонатора Для сравнения с атомной частотой была впервые предложена в ходе обмена электронными письмами между мной и профессором Виктором Фламбаумом», - рассказывает Йе Phys.org, вспоминая их обмен в 2015 году. очень быстро написал документ Описывая основные идеи, которые они обсуждали, Е говорит, что «хотел увидеть результаты экспериментов. И вот мы здесь».


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии