30 ноября 2016

Двойные атомные часы из США помогут найти темную материю

Двойные атомные часы, созданные в США, ускорили работу подобных устройств измерения времени в 10 раз, что позволит использовать их для поиска следов таинственной темной материи, пролетающих через Землю, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.

"Мы убрали главный источник шума в работе наших часов, что сделало их сигнал более четким. Это означает, что сейчас мы можем достигнуть максимальной точности работы часов – около 1,5 ошибок на квинтильон "тиканий" – всего за несколько тысяч секунд. Точность работы этих часов ненамного быстрее нашего предыдущего рекорда, однако они выходят на этот уровень в 10 раз быстрее", 

— заявил Эндрю Ладлоу (Andrew Ludlow) из Национального института стандартов и технологий США (NIST) в Боулдере.

Как работают подобные часы? В них ионы находятся в специальной электромагнитной "ловушке", охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю. Ученые "стреляют" по этим ионам из лазера, заставляя их колебаться между возбужденным и "нормальным" энергетическими состояниями. Подобные конструкции позволяют достичь невероятной точности измерения времени — современные атомные часы начинают запаздывать или спешить на секунду лишь через миллиарды лет.

Три года назад группа физиков под руководством Ладлоу смогла улучшить этот показатель в десять раз, создав атомные часы на основе атомов иттербия. Как правило, в качестве основы для атомных часов используются атомы щелочных металлов, таких как цезий, однако Ладлоу и его коллегам удалось заменить их иттербием, создав особую оптическую "клетку" из лучей лазера.

Каждая такая "клетка"-ловушка содержит в себе десятки тысяч атомов, резонирующих под действием лазерных импульсов с частотой 518 триллионов раз в секунду. Характер этих колебаний не зависит от условий окружающей среды, что позволяет использовать их для отсчета времени. По словам ученых, применение иттербия улучшило точность прибора в 10 раз по сравнению с самыми точными цезиевыми атомными часами, и значительно снизило время их "запуска".

Сейчас Ладлоу и его команде удалось улучшить работу подобных часов, ликвидировав их главный недостаток – небольшие колебания в частоте лазерных импульсов, так называемый "шум Дика", которые периодически возникают при работе даже самых точно настроенных лазеров.

Экспериментируя с атомными часами 2013 года, Ладлоу обнаружил, что данный вид помех можно почти полностью подавить, если соединить друг с другом  два подобных прибора, атомы в которых колеблются на разных частотах.

Попеременно "обстреливая" их при помощи одного и того же лазера и сравнивая между собой время реакции атомов на импульсы света, ученые из NIST научились быстро "отлавливать" ошибки в работе часов, что позволило им в десятки раз ускорить вывод атомных часов на уровень максимально возможной точности их работы.

Расправившись с этими помехами, теперь ученые столкнулись с новой проблемой – повышению точности часов теперь мешают сами атомы, чьи квантовые свойства не дают точно замерять их положение и расстояние, которое проходят излучаемые ими фотоны.

Тем не менее, достигнутой точности измерения – 1,5 частей на квинтильон "тиков" – и скорости работы часов должно хватить для решения одной из самых амбициозных задач современной физики – поисков и раскрытия сущности темной материи, на чью долю приходится 75% массы Вселенной.

Как часы могут помочь в поисках темной материи? Еще в 2014 году российские физики Андрей Деревянко и Максим Поспелов показали, что пролет крупных "комков" темной материи через Землю должен замедлять течение времени в тех частях планеты, через которые они пролетели. Атомные часы, обладающие достаточно высокой точностью и скоростью работы, смогут обнаружить эту аномалию и таким образом подтвердить, что темная материя существует. Кроме того, сверхточные часы помогут физикам уточнить значения многих фундаментальных констант и переопределить килограмм и метр.