Създаденият през 2024 г. оптичен адрен часовник е бил използван за изучаване на тъмната материя. Той бе създаден от изследователи от Виенския технически университет и Националния институт за стандарти и технологии (САЩ).

Почти две години по-късно те продължават да усъвършенстват устройството и вече могат да го използват за търсене на необичайни физични ефекти. Статията по темата е достъпна в архива ArXiv.

Изключително точното измерване на времето се осъществява с помощта на лазери и атоми

Чрез настройване на лазер на „резонансната честота“ на електроните в атома – точната честота, при която те поглъщат енергията на лазера – може да се предизвика прескачането им между енергийни нива.

Тези преходи могат да бъдат засечени, а калибрираният лазер след това се използва за измерване на хода на времето.

Стандартните атомни часовници използват лазер в микровълновия диапазон и цезиеви атоми.

В по-модерните оптични ядрени часовници учените прилагат по-къси дължини на вълните и други атоми, което води до много по-голяма прецизност. В основата на измерванията обаче все още стоят електроните.

Именно това прави часовника, базиран на торий-229, толкова интересен.

При него не се използва електронен преход, а лазерът се калибрира спрямо резонансната честота на атомното ядро.

Енергийният преход на ядрено ниво е много по-стабилен от електронния, което дава предимство и прави подобни устройства в пъти по-точни.

Но ако ядрените часовници са толкова добри, защо не ги използваме постоянно?

Проблемът е, че ядрените преходи обикновено изискват много повече енергия от електронните и затова могат да бъдат осъществени само с рентгенов лазер.

Торий-229 е изключение: той има най-ниския скок на ядрена енергия сред всички известни атоми, изискващ ултравиолетово лъчение, което значително улеснява използването му.

Въпреки това конвенционалните оптични атомни часовници все още имат предимство пред новия ториев часовник. Това се дължи на несигурността относно точната стойност на резонансната честота на ториевото ядро.

Ториевият часовник губи едва няколко десетки секунди на всеки милиард години

Освен това той не изисква вакуум или температури близки до абсолютната нула, каквито са нужни за съвременната инсталация, определяща стандартната стойност на секундата. Торият е вграден в кристал от калциев флуорид и се използва при стайна температура.

Ядреният часовник е и по-малко податлив на електромагнитни взаимодействия, които влияят на електроните, обикалящи около атома.

Поради тази причина, въпреки по-ниската си точност в момента, този прототип може да се използва за проверка на физични свойства, които биха могли да повлияят на други видове часовници, включително гравитацията.

Както се съобщава в статията, екипът е използвал часовника, за да прецизира моделите на свръхлеката тъмна материя.

Тъмната материя е хипотетично вещество, за което се смята, че съществува във Вселената, но е невидимо, тъй като взаимодейства само гравитационно, а не със светлината.

Според някои хипотези тъмната материя може да се състои от частици с много малка маса. В такива сценарии тя би предизвикала флуктуации в енергията на ядрения преход.

Групата е успяла да прецизира моделите с точност, сравнима с тази на оптичните часовници, макар и за малко по-различен модел на свръхлека тъмна материя.

Часовникът също така осигурява по-точни измервания на връзката между кварките – компонентите на протоните и неутроните в ядрото – и силното ядрено взаимодействие, което държи ядрото цяло.