Тъмната материя, уловена в мрежа от лазери и атомни часовници

Физиците измислиха нов начин за изучаване на недрата на Вселената.

Международен екип от учени предложи необичаен начин за изучаване на тъмната материя – с помощта на атомни часовници и мрежа от оптични лазерни резонатори. За първи път изследователите успяха да измерят начина, по който свръхлеките частици влияят на електроните при честоти под един херц.

Квантовите часовници отчитат времето чрез вибрациите на атомите. Те вече станаха незаменими в GPS сателитите, като помагат за определяне на местоположението на обектите с висока точност. Във втория ключов елемент на съоръжението са оптичните резонатори, в които лазерният лъч се отразява многократно между две огледала. Честотата на излъчването става изключително стабилна – такива системи вече се използват активно във високоскоростните оптични мрежи.

„Наблюдаваме вълновото поведение на материята – всичко това се дължи на изключително малката маса на частиците“, обяснява Ашли Кадъл, докторант в Университета на Куинсланд. Високопрецизните инструменти действат като свръхчувствителни детектори – те улавят минималните промени във фундаменталните константи, по-конкретно в масата на електрона“.

Предишните методи за търсене изискваха поставянето на всички детектори в една точка. Инструментите записваха една и съща фаза на вълната, което затрудняваше възприемането на пълната картина. Освен това, ако вълновите ефекти въздействаха на два сензора по един и същи начин, те се унищожаваха взаимно. Решението се оказва просто – да се разположат точките за измерване на голямо разстояние една от друга.

„Успяхме да забележим миниатюрни колебания в полетата, които преди това изчезваха при конвенционалните инсталации, защото взаимно се анулираха“, казва още Кадъл.

Изследването включва два вида измервания. Първо, учените наблюдават честотните колебания между двойка лазерни резонатори, свързани с оптично влакно с дължина 2220 км. По този начин те са успели да регистрират пространствените колебания в полето. След това физиците анализирали данните от микровълновите атомни часовници на GPS сателитите и са наблюдавали как полето се променя във времето.

Важно е било да се открият осцилации с продължителност между две и 105 секунди – този диапазон съответства на частици с маси между 10-¹⁹ и 2×10-¹⁵ електронволта. Досега никой не е проверявал експериментално влиянието на свръхлеката материя върху колебанията на масата на електроните при честоти под един херц. Резултатите от изследването показват: или ефектът отсъства, или е толкова малък, че сегашните инструменти не могат да го открият.

„Най-изненадващото е, че успяхме да регистрираме сигнали от частици, които взаимодействат с всички атоми по един и същи начин. Преди това тези явления не можеха да бъдат открити по никакъв начин“, подчертава Кадъл.

Физикът Бенджамин Робъртс от Университета в Куинсланд, също участвал в работата, е уверен: новият метод ще даде възможност да се проверят различните теории за природата на неуловимото вещество и може да помогне за разрешаването на една от основните загадки за структурата на Вселената.