Венский ТУ и NIST создали и доработали ториевые ядерные часы для поиска темной материи

В 2024 году исследователи из Венского технического университета (Австрия) и Национального института стандартов и технологий (США) представили первый прототип оптических ядерных часов. Спустя почти два года разработка была доработана и получила новые возможности: теперь устройство применяют для поиска редких физических эффектов. Предварительная версия работы опубликована на ArXiv без прохождения рецензирования.

По словам соавтора Торстена Шумма из Венского технического университета, прототип подтвердил возможность использования тория как основы сверхточных измерений времени. Он отмечал, что дальнейшая инженерная доводка не должна столкнуться с принципиальными ограничениями.

Принцип работы таких часов основан на взаимодействии лазеров и атомов. Лазер настраивается на резонансную частоту электронов, при которой атомы поглощают энергию и переходят между энергетическими уровнями. Эти переходы фиксируются и позволяют калибровать измерение времени.

В традиционных атомных часах используется микроволновое излучение и атомы цезия. Более современные оптические системы работают с другими атомами и более короткими длинами волн, что повышает точность, но всё равно опирается на электронные переходы.

Особенность ториевых часов, основанных на изотопе торий-229, заключается в использовании не электронных, а ядерных переходов. Резонанс ядра оказывается значительно стабильнее электронных процессов, что потенциально делает такие часы гораздо точнее существующих аналогов.

При этом внедрение ядерных часов ограничено техническими сложностями: большинство ядерных переходов требует рентгеновского диапазона. Торий-229 выделяется тем, что его переходы возбуждаются ультрафиолетовым излучением, что упрощает реализацию системы.

Несмотря на перспективность, классические оптические атомные часы пока сохраняют преимущество из-за неопределённости точного значения резонансной частоты ядра тория. Однако разрыв постепенно сокращается.

Ториевый прототип демонстрирует крайне высокую стабильность: отклонение составляет лишь десятки секунд за миллиард лет. Дополнительным преимуществом является отсутствие необходимости в экстремальных условиях — вакууме или сверхнизких температурах. Торий встроен в кристалл фторида кальция и функционирует при комнатной температуре.

Ядерная природа таких часов снижает влияние электромагнитных факторов, воздействующих на электронные оболочки атомов. Это позволяет использовать систему не только для измерения времени, но и для проверки фундаментальных физических эффектов, включая влияние гравитации.

Согласно предварительной публикации, установка уже применялась для уточнения моделей сверхлёгкой тёмной материи. Эта гипотетическая форма вещества не взаимодействует со светом и проявляется преимущественно через гравитацию. В ряде теорий предполагается, что она состоит из крайне лёгких частиц, способных вызывать флуктуации ядерных переходов.

Также эксперимент позволил уточнить представления о взаимодействии кварков — составляющих протонов и нейтронов — и сильном ядерном взаимодействии, удерживающем атомное ядро.

Читайте также: