Найкращий детектор темної матерії: торій-229 допоможе виявляти сили, слабші за гравітацію в 10 трлн разів

Depositphotos

Ізраїльські та німецькі науковці вирішили використати торій-229 для розробки надточного ядерного годинника, здатного виявляти сили, в 10 трлн разів слабші за гравітацію.

Така чутливість може зробити цей годинник ідеальним інструментом для виявлення темної матерії. Фізики вже більше 100 років намагаються розкрити природу загадкової темної матерії, яка, як вважається, складає до 80% Всесвіту. Вчені дослідили велику кількість способів її виявлення — від спроб створення частинок темної матерії у прискорювачах, до пошуків слабкого космічного випромінювання. Однак ключові характеристки цієї таємничої субстанції досі залишаються невивченими.

Хоча темна матерія не взаємодіє зі світлом, вважається, що вона чинить тонкий вплив на звичайну матерію, однак сучасні прилади нездатні зафіксувати цю надтонку взаємодію. На думку експертів, створення надточного ядерного годинника може нарешті дозволити виявити темну матерію.

Цей годинник буде настільки точним, що навіть незначні відхилення у його русі могли б свідчити про наявність темної матерії, оскільки цей пристрій вимірюватиме час на основі коливань атомного ядра. Минулого року дослідні групи з Німеччини та Колорадо зробили важливий крок уперед, використовуючи радіоактивний ізотоп торій-229 на ранніх стадіях створення такого годинника.

Після того, як ізраїльські дослідники з групи теоретичної фізики професора Гілада Переса в Інституті Вейцмана ознайомились з успіхами американських та німецьких колег, вони вирішили внести власний вклад у створення цього пристрою та пошуки темної матерії. Спільно з німецькими науковцями вони опублікували дослідження щодо того, як темна матерія може впливати та тонко змінювати властивості ядра торію-229.

Подібно до того, як гойдання дитини на гойдалках вимагає правильного моменту для підтримки плавного та рівномірного руху, атомне ядро також має оптимальну частоту коливань, яка зветься резонансною частотою. Випромінення саме на цій частоті може змусити ядро коливатись подібно до маятника між двома квантовими станами — ключовим та високоенергетичним.

Більшість матеріалів мають високу резонансу частоту і для збудження ядра необхідне потужне випромінення. Однак у 1976 році науковці з’ясували, що торій-229 — побічний продукт американської ядерної програми, являє собо унікальне виключення.

Його власна резонансна частота доволі низька, щоб нею можна було керувати за допомогою лазерів, використовуючи відносно слабке ультрафіолетове випромінювання. Це робить торій-229 перспективним кандидатом для використання у інноваційному ядерному годиннику, у якому час вимірюватиметься шляхом коливання ядра атому між квантовими станами.

“Ядерний годинник міг би стати ідеальним детектором, здатним вловлювати сили, в 10 трильйонів разів слабше гравітації, і мати дозвіл, що в 100 000 разів перевищує дозвіл сучасних методів пошуку темної матерії”, — підкреслюють автори дослідження.

Однак прогрес зупинився буквально на першому ж етапі, коли науковці спробували виміряти резонансну частоту торію-229 з максимальною точністю. Для визначення резонансної частоти ядра, фізики опромінюють його лазером з різною частотою і спостерігають, скільки енергії поглинає та випромінює ядро під час переходу між квантовими станами.

Протягом майже 50 років науковці не могли виміряти резонансну частоту торію-229 із достатньою точністю для створення ядерного годинника, однак у минулому році було зроблено одразу два важливі відкриття. Спочатку група з Національного інституту метрології Німеччини (PTB) опублікувала відносно точні виміри. Через кілька місяців група з Університету Колорадо опублікувала результати, які виявилися в кілька мільйонів разів точнішими. Теоретичні розрахунки, проведені під керівництвом доктора Вольфрама Ратцінгера з групи Переса, продемонстрували, що нові вимірювання можуть виявити вплив темної матерії, навіть якщо він у 100 млн разів слабіший за гравітацію.

“Нам все ще потрібна ще більша точність для розробки ядерних годинників. Але ми вже знайшли можливість вивчати темну матерію. У Всесвіті, що складається тільки з видимої матерії, фізичні умови та спектр поглинання будь-якого матеріалу залишалися б незмінними. Але оскільки темна матерія оточує нас, її хвильова природа може тонко змінювати масу атомних ядер і викликати тимчасові зрушення їх спектру поглинання. Ми припустили, що здатність виявляти найдрібніші відхилення в спектрі поглинання торію-229 з високою точністю може розкрити вплив темної матерії та допомогти нам вивчити її властивості”, — пояснює керівник групи ізраїльських дослідників Гілад Перес.

Як зазначає Ратцінгер, це область, у якій ще ніхто не проводив пошуки темної матерії. За його словами, розрахунки показують, що пошуку одних лише зсувів резонансної частоти недостатньо. Ратцінгер переконує, що для виявлення впливу темної матерії, необхідно виявити зміни по всьому спектру поглинання.

“Хоча ми поки не виявили ці зміни, ми заклали основу для їхнього розуміння, коли вони з’являються. Виявивши відхилення, ми зможемо використовувати його інтенсивність і частоту, на якій воно проявляється, для розрахунку маси відповідальної за нього частки темної матерії. Пізніше під час дослідження ми також розрахували, як різні моделі темної матерії вплинуть на спектр поглинання торію-229. Ми сподіваємося, що це зрештою допоможе визначити, які моделі точні і з чого насправді складається темна матерія”, — додає Ратцінгер.

Наразі лабораторії по всьому світу працюють над тим, щоб вдосконалити методи вимірювання резонансної частоти торію-229. Однак цей процес може зайняти ще не один рік. Якщо ядерний годинник буде нарешті створений, він призведе до революції в багатьох областях, включаючи наземну та космічну навігацію, зв’язок, управління енергомережами та наукові дослідження.

Найточнішим на сьогоднішній день пристроєм для вимірювання часу є атомний годинник, робота якого заснована на коливаннях електронів між двома квантовими станами. Він має високу точність, але також і один істотний недолік: він вразливий до електричних перешкод навколишнього середовища, які можуть вплинути на його точність.

На думку науковців, темна матерія складається з великої кількості субатомних частинок, маса кожної з яких щонайменше у тисячу разів менша за масу електрона. Ядерний годинник дозволив би виявляти неймовірно малі відхилення у своєму русі, тобто крихітні зрушення резонансної частоти, які могли б виявити вплив темної матерії.