Уже почти сто лет учёные по всему миру пытаются найти тёмную материю — невидимую субстанцию, которая, как считается, составляет около 80 процентов массы Вселенной и необходима для объяснения множества физических явлений. Методов было испробовано много, от попыток синтезировать тёмную материю в ускорителях частиц до поиска её следов в космическом излучении.
Но даже сегодня о свойствах этой материи известно крайне мало. Считается, что она влияет на обычную, видимую материю, но делает это настолько тонко, что современные инструменты не могут зафиксировать такие воздействия напрямую.
Физики считают, что прорыв может дать ядерные часы — устройство, измеряющее время с использованием колебаний атомного ядра. Если их удастся создать, даже малейшие сбои в их "тикающих" ритмах могут стать свидетельством влияния тёмной материи. В прошлом году учёные в Германии и США сделали важный шаг в этом направлении, начав использовать радиоактивный изотоп тория-229.
Когда теоретики из группы профессора Гилада Переса в Институте Вейцмана узнали об этих успехах, они поняли, что появилась новая возможность приблизиться к разгадке тёмной материи. Вместе с немецкими коллегами они опубликовали работу в журнале Physical Review X, в которой предложили нестандартный способ поиска следов тёмной материи через поведение ядра тория-229.
Как ребёнок на качелях раскачивается в ритм толчкам, так и атомное ядро имеет свою "частоту резонанса" — идеальный ритм, на котором оно может переходить из одного квантового состояния в другое. Обычно для возбуждения ядра нужна очень сильная радиация, но у тория-229 частота настолько низкая, что с ней может справиться обычный ультрафиолетовый лазер. Этим он и заинтересовал учёных, мечтающих о ядерных часах, где ритм задаёт не облако электронов, а само ядро.
Однако всё упёрлось в первый же шаг. Чтобы создать такие часы, нужно точно знать резонансную частоту тория-229. Учёные почти полвека пытались измерить её, направляя на ядро лазер и отслеживая, сколько энергии оно поглощает или испускает при переходах между состояниями. По этим данным строится так называемый спектр поглощения, где максимум указывает на нужную частоту.
И только в прошлом году удалось добиться ощутимого прогресса. Сначала команда из Немецкого института метрологии представила относительно точные измерения. Чуть позже учёные из Университета Колорадо добились точности в миллионы раз выше.
По словам Переса, до создания полноценных ядерных часов нужно ещё улучшить точность, но даже сейчас можно попробовать поймать след тёмной материи. Если бы Вселенная состояла только из обычной материи, спектры поглощения веществ не менялись бы со временем. Но тёмная материя , окружая нас, может едва заметно влиять на массу ядер, вызывая крошечные сдвиги в этих спектрах.
Теоретические расчёты, которые провела команда Переса под руководством доктора Вольфрама Рацигера, показали, что влияние тёмной материи можно было бы заметить даже если оно в сто миллионов раз слабее силы гравитации. А ведь сама по себе гравитация — очень слабое взаимодействие.
По словам Рацигера, мало просто искать сдвиг в частоте. Нужно следить за всей формой спектра, ведь именно в ней могут проявиться скрытые сигналы. Пока что никаких аномалий не найдено, но теперь у исследователей есть инструмент, чтобы их распознать, когда они появятся. И если это произойдёт, можно будет рассчитать массу той самой частицы тёмной материи, что вызвала отклонения.
Учёные уже моделируют, как различные гипотезы о тёмной материи могут повлиять на спектр тория-229. Это позволит в будущем понять, какие из моделей действительно близки к реальности.
Пока лаборатории продолжают уточнять измерения частоты резонанса тория-229, разработка ядерных часов может занять годы. Но если их всё-таки удастся создать, это перевернёт множество областей — от спутниковой навигации и связи до исследований в фундаментальной науке.
Сегодняшние атомные часы , основанные на электронных переходах, очень точны, но подвержены влиянию электромагнитных помех. Ядра же к ним практически нечувствительны. Именно поэтому, говорит Перес, ядерные часы на основе тория-229 станут идеальным инструментом для поиска тёмной материи. Они позволят фиксировать такие малые отклонения, которые сейчас даже невообразимы — в десятки триллионов раз слабее гравитации. Это будет чувствительность, превосходящая существующие методы в сто тысяч раз.