Времето „тиктака“ по нов начин – часовниците се научиха да улавят това, което се крие от цялата Вселена

От близо век учени от цял свят се опитват да открият тъмната материя – невидима субстанция, за която се смята, че съставлява около 80% от масата на Вселената и обяснява много физични явления. Изпробвани са много методи – от опити за синтезиране на тъмна материя в ускорители на частици до търсене на следи от нея в космическото лъчение.

Но дори и днес се знае много малко за свойствата на тази материя. Смята се, че тя влияе на обикновената, видима материя, но го прави по толкова фин начин, че съвременните инструменти не могат да открият тези ефекти директно.

Физиците смятат, че пробивът може да дойде от ядрените часовници – устройство, което измерва времето, използвайки вибрациите на атомното ядро.

Ако те могат да бъдат създадени, дори и най-малките смущения в ритъма им на „тиктакане“ биха могли да бъдат доказателство за влиянието на тъмната материя. Миналата година учени от Германия и САЩ направиха важна стъпка в тази посока, като започнаха да използват радиоактивния изотоп торий-229.

Когато теоретиците от групата на професор Гилад Перес в института „Вайцман“ научават за тези успехи, те осъзнават, че има нова възможност да се доближат до разгадаването на тъмната материя. Заедно с германски колеги те публикуват статия в списание Physical Review X, в която предлагат нетрадиционен начин за търсене на следи от тъмна материя чрез поведението на ядрото на торий-229.

Както дете на люлка се люлее в ритъма на тласъците, така и атомното ядро има своя „резонансна честота“ – идеалния ритъм, при който може да преминава от едно квантово състояние в друго. Обикновено е необходимо много силно лъчение, за да се възбуди ядрото, но торий-229 има толкова ниска честота, че обикновен ултравиолетов лазер може да се справи с нея. Именно това заинтересувало учените, които мечтаели за ядрен часовник, в който ритъмът се задава не от облак електрони, а от самото ядро.

Първата стъпка обаче се оказала задънена улица. За да се създаде такъв часовник, е необходимо да се знае точно резонансната честота на торий-229. Учените се опитват да я измерят от почти половин век, като насочват лазер към ядрото и проследяват колко енергия то поглъща или излъчва по време на преходите между състоянията. Тези данни се използват за построяване на т.нар. спектър на поглъщане, в който максимумът показва търсената честота.

Едва през миналата година беше постигнат осезаем напредък. Първо, екип от Германския институт по метрология представи сравнително точни измервания. Малко по-късно учени от Университета в Колорадо постигнаха милиони пъти по-висока точност.

Според Перес точността все още трябва да се подобри, преди да бъде създаден пълноценен ядрен часовник, но дори и сега е възможно да се опитаме да уловим следи от тъмна материя. Ако Вселената се състоеше само от обикновена материя, спектрите на поглъщане на материята нямаше да се променят с течение на времето. Но тъмната материя, която ни заобикаля, може неуловимо да повлияе на масата на ядрата, предизвиквайки малки промени в тези спектри.

Теоретичните изчисления на екипа на Перес, ръководен от Д-р Волфрам Ратцигер показват, че ефектът на тъмната материя би бил забележим, дори ако тя е 100 милиона пъти по-слаба от гравитацията. В края на краищата самата гравитация е много слабо взаимодействие.

Според Ратцигер не е достатъчно просто да се търси промяна в честотата. Необходимо е да се следи цялата форма на спектъра, защото именно в нея могат да се проявят скрити сигнали. Досега не са открити никакви аномалии, но сега изследователите разполагат с инструмент, с който да ги разпознават, когато се появят. И ако това се случи, ще бъде възможно да се изчисли масата на самата частица от тъмна материя, която е предизвикала аномалиите.

Учените вече моделират как различните хипотези за тъмната материя могат да повлияят на спектъра на торий-229. Това ще им позволи в бъдеще да разберат кои от моделите са наистина близки до реалността.

Докато лабораториите продължават да усъвършенстват измерванията на резонансната честота на торий-229, разработването на ядрен часовник може да отнеме години, но ако успеят, това ще доведе до революция в много области – от спътниковата навигация и комуникациите до фундаменталните научни изследвания.

Днешните атомни часовници, базирани на електронни преходи, са много точни, но са податливи на електромагнитни смущения. Ядрата, от друга страна, са почти нечувствителни. Ето защо, казва Перес, ядрените часовници, базирани на торий-229, ще бъдат идеален инструмент за търсене на тъмна материя. Те ще могат да откриват такива малки отклонения, които сега са немислими – десетки трилиони пъти по-слаби от гравитацията. Това ще бъде чувствителност, която превъзхожда съществуващите методи сто хиляди пъти.