Тёмная сторона времени: учёные разрабатывают ядерные часы для поиска тёмной материи с помощью тория-229

Кристалл флюорита, содержащий атомы радиоактивного элемента тория-229. Он использовался для точного измерения спектра поглощения атомных ядер в Национальном институте метрологии Германии (PTB). Ранее исследователям приходилось улавливать небольшое количество атомных ядер в каждом эксперименте и тестировать их с одной частотой излучения за раз, что делало точные измерения крайне трудоёмкими. В эксперименте PTB учёные использовали кристалл, содержащий около одного квадриллиона (тысячи триллионов) атомов, что позволило проводить множество измерений одновременно с помощью высокоточных лазерных лучей. Автор: PTB

Почти столетие учёные по всему миру ищут тёмную материю — невидимую субстанцию, которая, как считается, составляет около 80% массы Вселенной и необходима для объяснения множества физических явлений. Для её обнаружения использовались различные методы — от попыток создания в ускорителях частиц до поиска космического излучения, которое она может испускать в космосе.

Однако даже сегодня о фундаментальных свойствах этой материи известно очень мало. Хотя она действует в фоновом режиме, считается, что тёмная материя влияет на видимую материю, но настолько тонко, что это пока невозможно измерить напрямую.

Учёные полагают, что если создать ядерные часы — устройство, использующее атомное ядро для сверхточного измерения времени — даже малейшие отклонения в их «ходе» могут выявить влияние тёмной материи. В прошлом году физики из Германии и Колорадо совершили прорыв в создании таких часов, используя радиоактивный элемент торий-229.

Когда исследователи из группы теоретической физики профессора Гилада Переса в Институте науки Вейцмана узнали об этом достижении, они увидели новую возможность для поиска тёмной материи ещё до того, как полностью функциональные ядерные часы станут реальностью. В сотрудничестве с немецкой командой они недавно опубликовали исследование в журнале Physical Review X, предлагая новый метод обнаружения влияния тёмной материи на свойства ядра тория-229.

Подобно тому, как раскачивание ребёнка на качелях требует правильного темпа для поддержания плавного движения, атомное ядро также имеет оптимальную частоту колебаний, известную в физике как резонансная частота. Излучение именно этой частоты может заставить ядро «колебаться» как маятник между двумя квантовыми состояниями: основным и высокоэнергетическим. В большинстве материалов эта частота высока и требует мощного излучения для возбуждения ядра.

Но в 1976 году учёные обнаружили, что торий-229, побочный продукт ядерной программы США, является редким исключением. Его естественная резонансная частота достаточно низка, чтобы ею можно было управлять с помощью стандартных лазерных технологий, использующих относительно слабое ультрафиолетовое излучение. Это сделало торий-229 перспективным кандидатом для создания ядерных часов, где время измеряется «колебаниями» ядра между квантовыми состояниями, подобно маятнику в традиционных часах.

Однако прогресс в создании ядерных часов остановился на самом первом этапе, когда учёные попытались с максимальной точностью измерить резонансную частоту тория-229. Для определения резонансной частоты ядра физики облучают его лазером на разных частотах и наблюдают, сколько энергии оно поглощает или излучает при переходе между квантовыми состояниями. По этим результатам строится спектр поглощения, а частота, вызывающая пик поглощения, принимается за резонансную частоту ядра.

Почти пять десятилетий учёные не могли измерить резонансную частоту тория-229 с достаточной точностью для создания ядерных часов, но в прошлом году произошли два важных прорыва. Сначала группа из Национального института метрологии Германии (PTB) опубликовала относительно точные измерения. Через несколько месяцев команда из Университета Колорадо представила результаты, которые оказались в миллионы раз точнее.

Автор: J. Terhune/UCLA

«Нам всё ещё нужна ещё большая точность для разработки ядерных часов, — говорит Перес, — но мы уже обнаружили возможность изучать тёмную материю».

«Во Вселенной, состоящей только из видимой материи, физические условия и спектр поглощения любого материала оставались бы постоянными. Но поскольку тёмная материя окружает нас, её волновая природа может незаметно изменять массу атомных ядер и вызывать временные сдвиги в их спектре поглощения. Мы предположили, что возможность обнаруживать малейшие отклонения в спектре поглощения тория-229 с высокой точностью может выявить влияние тёмной материи и помочь изучить её свойства».

Теоретические расчёты, выполненные командой под руководством доктора Вольфрама Ратцингера из группы Переса и других постдоков, показали, что новые измерения могут обнаружить влияние тёмной материи даже если оно в 100 миллионов раз слабее гравитации — силы, которая сама по себе слаба и редко привлекает наше внимание в повседневной жизни.

«Это область, где никто ещё не искал тёмную материю, — говорит Ратцингер. — Наши расчёты показывают, что недостаточно искать только сдвиги резонансной частоты. Нам нужно идентифицировать изменения во всём спектре поглощения, чтобы обнаружить эффект тёмной материи».

«Хотя мы ещё не нашли эти изменения, мы заложили основу для их понимания, когда они появятся. Как только мы обнаружим отклонение, мы сможем использовать его интенсивность и частоту, на которой оно появляется, чтобы рассчитать массу частицы тёмной материи, ответственной за это».

«Позже в исследовании мы также рассчитали, как разные модели тёмной материи повлияют на спектр поглощения тория-229. Мы надеемся, что это в конечном итоге поможет определить, какие модели точны и из чего на самом деле состоит тёмная материя».

Тем временем лаборатории по всему миру продолжают уточнять измерения резонансной частоты тория-229, процесс, который, как ожидается, займёт годы. Если ядерные часы будут созданы, они могут революционизировать многие области, включая навигацию на Земле и в космосе, связь, управление энергосетями и научные исследования.

Самые точные современные устройства для измерения времени — атомные часы, которые полагаются на колебания электронов между двумя квантовыми состояниями. Они очень точны, но имеют один существенный недостаток: они уязвимы к электрическим помехам из окружающей среды, которые могут повлиять на их стабильность. Ядра атомов, напротив, гораздо менее чувствительны к таким помехам.

«Когда речь идёт о тёмной материи, — говорит Перес, — ядерные часы на основе тория-229 станут идеальным детектором. Сейчас электрические помехи ограничивают нашу возможность использовать атомные часы в поисках».

«Но ядерные часы позволят нам обнаруживать невероятно слабые отклонения в их «ходе» — то есть крошечные сдвиги резонансной частоты — которые могут выявить влияние тёмной материи. Мы оцениваем, что это позволит нам обнаруживать силы в 10 триллионов раз слабее гравитации, обеспечивая разрешение в 100 000 раз лучше, чем то, что у нас есть сейчас в поисках тёмной материи».

Дополнительная информация: Elina Fuchs et al, Searching for Dark Matter with the Th229 Nuclear Lineshape from Laser Spectroscopy, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.021055

Источник: Институт науки Вейцмана