Japonští vědci vytvořili atomové hodiny z ytterbia, které mohou odhalit temnou hmotu

Fyzici vyvinuli vysoce přesné a ultra citlivé atomové hodiny založené na ytterbiu, které by mohly posunout hranice Standardního modelu a dokonce hledat nepolapitelnou temnou hmotu.

Fyzici vyvinuli vysoce přesné a ultra citlivé atomové hodiny založené na ytterbiu, které by mohly posunout hranice Standardního modelu a dokonce hledat nepolapitelnou temnou hmotu. Projekt vedl Taiki Ishiyama, fyzik z Kjótské univerzity v Japonsku, a využil vzácný orbitální přechod v atomech, který byl dlouho považován za slibný, ale příliš obtížný na přesné měření.

Tým věří, že jejich přístup umožní jedny z nejpřísnějších testů předpovědí Standardního modelu, který vysvětluje tři ze čtyř základních sil řídících vesmír: elektromagnetismus, silnou a slabou sílu. Vědci zdůraznili, že tyto výsledky otevírají cestu pro různé nové experimenty ve fyzice a širokou škálu aplikací v kvantové vědě s tímto hodinovým přechodem.

Atomové hodiny měří čas tím, že sledují, jak elektrony přeskakují mezi dvěma specifickými energetickými hladinami uvnitř atomů, nejčastěji cesia-133, které funguje jako vysoce stabilní, přirozené kyvadlo. Tyto přechody se vyskytují na extrémně stabilních frekvencích, což činí atomové hodiny nejpřesnějšími měřiči času, jaké kdy byly zkonstruovány. Nejpřesnější atomové hodiny zachycují atomy v optické mřížce, což je vzor světla a tmy tvořený protínajícími se lasery. Pracují na optických frekvencích se stovkami bilionů oscilací za sekundu. Některé, jako optické mřížkové hodiny se stronciem, jsou tak přesné, že by se odchýlily o méně než sekundu za zhruba 30 miliard let.

Výzkumníci však dlouho tušili, že by mohli dosáhnout ještě větší citlivosti pomocí vzácného typu orbitálního přechodu v atomech ytterbia. Ten se vyskytuje mezi konfiguracemi zahrnujícími vnitřní elektron hluboko uvnitř atomu. Podle týmu jej lze stále měřit a ovládat se stejnou přesností jako konvenční hodinové přechody. Navíc vykazuje vysokou citlivost, což mu umožňuje zachytit jemné fyzikální jevy, jako jsou náznaky temné hmoty nebo jiných neznámých částic.

Ačkoli je teoreticky tento přechod ideální pro zkoumání nedostatků ve Standardním modelu, dosažení potřebné přesnosti zůstávalo v praxi obtížné. Rané experimenty týmu trpěly špatnou přesností měření, z velké části kvůli interferenci ze samotných laserů používaných k zachycení atomů. K řešení této výzvy se obrátili k technice zvané „magická vlnová délka“, která zachytila atomy ytterbia v trojrozměrné optické mřížce. Tímto způsobem byli schopni eliminovat nežádoucí posuny v energetických hladinách atomů způsobené zachycujícím světlem. Kombinací s vysoce stabilizovaným excitačním laserem dosáhli úzké spektrální šířky čáry 80 Hz, což je zlepšení o přibližně dva řády oproti předchozím výsledkům.

Tým tak přiblížil systém přesnosti nejmodernějších optických hodin. Tato úroveň kontroly jim umožnila provést řadu vysoce přesných měření, včetně pozorování koherentních oscilací mezi atomovými stavy a detekce meziorbitální Feshbachovy rezonance. Navíc provedli měření izotopového posunu a sledovali, jak se frekvence přechodu mění mezi různými formami atomů ytterbia. Tyto posuny byly měřeny s přesností jedné miliardtiny. Ishiyama zdůraznil, že se jedná o silný nástroj k hledání nového bosonu zprostředkujícího interakce mezi elektrony a neutrony, který přesahuje Standardní model. Studie stanovila přísné limity pro tyto možné efekty za určitých předpokladů a zlepšila modely atomového a jaderného chování. Práce rovněž ukázala, že vnitřní přechody lze nyní velmi přesně ovládat. Vědci uzavírají, že jejich práce otevírá cestu pro optické mřížkové hodiny kombinující vysokou přesnost měření a vysokou citlivost na nové fyzikální jevy.