Темная материя все еще «темная» — ученые используют атомные часы, чтобы пролить новый свет

Сравнение световых часов в PTB продвигает поиск возможных взаимодействий между очень легкой темной материей и фотонами.

Наблюдения в астрономии показывают, что существует «темная материя», которая составляет более 80% всей материи. Согласно нашему нынешнему пониманию, он в основном взаимодействует с видимой материей посредством гравитационных сил. Примечательно, что нет последовательных доказательств того, что он взаимодействует с фотонами, фундаментальными частицами, которые также составляют свет. Именно из-за отсутствия интерактивности его называют «темным». Состав темной материи и любые возможные неизвестные взаимодействия с обычной материей остаются интригующими загадками.

Особенно многообещающий теоретический подход предполагает, что темная материя может состоять из очень легких частиц и вести себя скорее как волны, чем как отдельные частицы: так называемая «очень легкая» темная материя. В этом ранее необнаруженном случае слабые взаимодействия темной материи с фотонами могут привести к небольшим колебаниям постоянной тонкой структуры.

Постоянная тонкой структуры — это естественная константа, описывающая силу электромагнитного взаимодействия. Он определяет шкалы атомной энергии и, таким образом, влияет на частоты переходов, используемые в качестве эталонов в атомных часах. Поскольку разные переходы в разной степени чувствительны к потенциальным изменениям константы, сравнение атомных часов можно использовать для поиска чрезвычайно темной материи. Для этой цели исследователи из PTB теперь использовали атомные часы, которые особенно чувствительны к потенциальным изменениям постоянной тонкой структуры в таких исследованиях.

С этой целью эти чувствительные атомные часы сравнивались с двумя другими атомными часами с более низкой чувствительностью в многомесячных измерениях. Полученные данные измерений были проверены на наличие колебаний, характерных для светлой темной материи. Поскольку больших колебаний не было, темная материя оставалась «темной» даже при ближайшем рассмотрении.

Так что обнаружение таинственной темной материи не состоялось. Отсутствие сигнала позволило определить новые экспериментальные верхние границы потенциальной силы связи легкого вещества с фотонами. Предыдущие оценки улучшаются более чем на порядок в больших масштабах.

В то же время исследователи также изучили, может ли постоянная тонкой структуры меняться со временем, например, очень медленно увеличиваться или уменьшаться. Такой разницы в данных обнаружено не было. Здесь ограничения тока также были ужесточены, что указывает на то, что константа остается постоянной даже в течение длительных периодов времени.

В отличие от предыдущих сравнений часов, где для каждых атомных часов требовалась собственная экспериментальная система, в этой работе два из трех атомных часов были получены в одной экспериментальной установке. Для этого использовались две разные частоты переходов для одного захваченного иона: ион опрашивался поочередно на обоих фотопереходах. Это важный шаг к тому, чтобы сделать сравнения оптических частот более компактными и надежными — например, для будущих поисков темной материи в космосе.

Ссылка: «Улучшенные границы связи легкой бозонной темной материи с фотонами на основе сравнения оптических атомных часов» М. Фельзингера, С. Lysedat N. HUNTIMAN, 22 июня 2023 г., доступно здесь. Физические обзорные письма.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.253001