Ученые используют атомные часы для исследования в лаборатории некоторых из величайших загадок Вселенной, включая природу темной материи. По их словам, при этом они приносят космологию и астрофизику «на Землю». Проект, который представляет собой сотрудничество между Университетом Сассекса и Национальной физической лабораторией (NPL) в Великобритании, использует тиканье этих невероятно точных часов для поиска до сих пор неизвестных сверхлегких частиц. Эти результаты будут опубликованы в будущем выпуске New Journal of Physics.
Эти частицы могут быть связаны с темной материей, загадочным веществом, которое составляет примерно 85% всей материи во Вселенной, но остается практически невидимым для нас, поскольку не взаимодействует со светом или, точнее, с электромагнитным излучением. Ученые полагают, что большинство галактик окружены облаком темной материи, но о ее присутствии можно судить только по влиянию, которое оно оказывает на гравитацию.
«Наша Вселенная, какой мы ее знаем, управляется законами физики, поэтому гравитация регулируется общей теорией относительности, а физика элементарных частиц — стандартной моделью физики элементарных частиц», — Ксавье Кальме, руководитель проекта и профессор физики в Университете Сассекса. «Мы называем отклонения от этих законов «разрушением физики» — по сути, это синоним новой физики, выходящей за рамки нашего нынешнего понимания Вселенной».
Эта новая физика может быть использована для объяснения природы темной материи, которая не вписывается в Стандартную модель.
«Одна из самых больших загадок — это природа темной материи. Мы знаем, что она существует, мы видим ее влияние на нашу Вселенную, но у нас нет достоверного объяснения в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц», — продолжил Кальме. «Должна быть новая физика, но мы не знаем, как описать эти новые частицы и как они соединяются с обычной материей».
Согласно установленным законам физики, часы должны идти с постоянной скоростью, но физика, выходящая за рамки Стандартной модели, приведет к появлению крошечных зарядов на энергетических уровнях атомов. Это должно повлиять на скорость хода часов, но отклонение будет настолько небольшим, что его можно будет обнаружить только с помощью невероятно точных часов — и именно здесь на помощь приходят атомные часы.
«Атомные часы приносят на Землю космологию и астрофизику, позволяя искать сверхлегкие частицы, которые могли бы объяснить темную материю в лаборатории», — сказал Кальме.
Атомные часы измеряют время, используя атомы с двумя состояниями потенциальной энергии. Когда атомы поглощают энергию, они переходят в более высокое энергетическое состояние. Затем они в конечном итоге высвобождают эту энергию и возвращаются в свое нижнее основное состояние.
В атомных часах группы атомов подготавливаются путем помещения их в более высокоэнергетическое состояние с использованием микроволновой энергии, а характерные и постоянные скорости, с которыми они колеблются между состояниями — их резонансные частоты — используются для точного измерения времени.
Так, например, все атомы цезия резонируют на одной и той же частоте, а это означает, что стандартную меру секунды можно определить как 9 192 631 770 циклов цезия. Поскольку это циклическое изменение в секунду происходит с гораздо меньшими изменениями, чем, скажем, раскачивание маятника, это делает атомные часы невероятно точными.
«Недавно стало понятно, что темная материя может состоять из сверхлегких частиц, которые крайне слабо взаимодействуют с обычной материей», — объяснил Кальме. «Если это так, темная материя, по сути, будет вести себя как классическая волна, которая взаимодействует с электронами и протонами. Эта волна темной материи будет давать этим частицам небольшие толчки».
Кальме добавил, что эти удары сверхлегких частиц темной материи по строительным блокам атома приведут к изменению во времени фундаментальных констант Вселенной, таких как константа тонкой структуры или «альфа» — мера того, насколько сильные частицы соединяются. через электромагнитную силу — и массу протона.
«Поскольку атомные часы являются удивительно точными устройствами, они смогут обнаружить эти удары и, таким образом, обнаружить сверхлегкую темную материю», — продолжил он. «Сравнивая два часа, одни чувствительны к изменениям альфа, а другие менее чувствительны к изменениям альфа, мы можем получить предел изменения во времени этой фундаментальной константы и, таким образом, установить ограничения на сверхлегкие частицы».
Кальме считает, что этот метод потенциально может быть использован для исследования еще одного проблемного аспекта Вселенной для физиков: темной энергии, неизвестной силы, которая управляет ускоряющимся расширением пространства.
Хотя Кальме признает, что темная энергия, скорее всего, объясняется космологической постоянной, формой энергии, которая действует почти противоположно гравитации, растягивая ткань пространства и раздвигая галактики, существует небольшой шанс, что ее можно связать с ультра- легкая частица. Таким образом, будущие часы также могут быть чувствительны к этой частице и связанной с ней волне.
«Хотя на данном этапе часы не открыли новую физику, мы смогли разработать новую теоретическую основу для исследования общей новой физики с помощью часов и смогли вывести первые независимые от модели ограничения на физику, выходящие за рамки стандартной модели в рамках этого подхода», - заключил Кальме. «Мы создаем новую область на стыке атомной, молекулярной и оптической физики и традиционной физики элементарных частиц. Это потрясающие результаты!»
По информации https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/158501-atomnye-chasy-na-zemle-mogut-raskryt-tajny-temnoj-materii-vo-vselennoj
