Сверхточные атомные часы смогли обнаружить темную материю

Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) и Университета Делавэра разработали одни из самых точных атомных часов на сегодняшний день, используя «паутину» света для улавливания и возбуждения рассеянного облака холодных атомов стронция. Их атомные часы теперь достаточно точны не только для измерения времени и навигации, но и для обнаружения слабых гравитационных сигналов и темной материи.

NIST — это место, где ученые работают над повышением точности глобальных стандартных измерений, таких как международная единица времени секунда. Время не имеет постоянного физического свойства для точного измерения, поэтому используются надежные повторяющиеся паттерны, такие как вращение Земли или жужжание кварцевого кристалла. Одним из таких паттернов является дрожание возбужденных электронов, окружающих атом.

Атомные часы с использованием цезия, впервые разработанные в 1955 году и с тех пор постоянно совершенствуемые, на сегодняшний день обеспечивают точность времени до 300-миллионных долей секунды в год. В сравнении с этими атомными часами обычные кварцевые наручные часы могут потерять или получить около 180 сек. (или 3 мин.) в год.

Однако ученые, специализирующиеся на измерениях времени, предполагают пересмотреть определение секунды в будущем десятилетии в связи с быстрым развитием технологий атомных часов. В последние два десятилетия новые виды атомных часов, использующие более короткие световые волны для возбуждения атомов или ионов, достигли прогресса в обеспечении стабильности и точности измерения времени.

Новые атомные часы, разработанные физиком Александром Аппли и его коллегами из JILA, имеют более высокую точность, чем предыдущие оптические часы, разработанные в 2019 году. Они устанавливают новый стандарт точности для всех существующих оптических часов. В этих часах тысячи атомов стронция улавливаются в одномерной «паутине» лазерного света, что обеспечивает более точные измерения.

Сверххолодные атомы стронция находятся на тонком слое в ультравысоком вакууме, что минимизирует ошибки и уменьшает влияние взаимодействия лазеров и атомов. Ожидается, что благодаря такой точности часы будут терять всего 1 сек. каждые 30 млрд лет, что делает их необходимыми для точного определения времени при космических полетах.

Увеличенная точность и стабильность в работе часов могут обнаружить малейшие изменения в поведении атомов, которые укажут на взаимодействие с темной материей или на воздействие гравитации в рамках общей теории относительности. Вместе с тем, помимо оптических атомных часов, существуют и другие методы, которые могут привести к новым открытиям.

Исследователи также экспериментируют с использованием квантовой запутанности для измерения времени и возбуждением атомных ядер, а не всего атома, лазерами, что может быть использовано для создания более стабильных устройств для измерения времени.

Ранее группа ученых из девяти правительственных, научных и промышленных учреждений обнаружила, что многие виды стекла имеют схожую атомную структуру. Исследователи разработали методы производства различных типов стекла в космосе, открыв потенциал для развития оптических технологий.