Tin tức Vũ trụ TV

Đồng hồ nguyên tử tiên tiến tạo ra máy dò vật chất tối tốt hơn

Ngày:
Th11 13, 2020
Tóm lược:

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một chiếc đồng hồ nguyên tử hiện đại để thu hẹp phạm vi tìm kiếm vật chất tối khó nắm bắt, một ví dụ cho thấy những cải tiến liên tục trong đồng hồ có giá trị vượt quá thời gian hiện hành.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Phim hoạt hình mô tả một chiếc đồng hồ tìm kiếm vật chất tối. Tín dụng: Hanacek / NIST
Phim hoạt hình mô tả một chiếc đồng hồ tìm kiếm vật chất tối.
Tín dụng: Hanacek / NIST

Các nhà nghiên cứu của JILA đã sử dụng một chiếc đồng hồ nguyên tử tối tân để thu hẹp phạm vi tìm kiếm vật chất tối khó nắm bắt, một ví dụ về việc những cải tiến liên tục trong đồng hồ có giá trị vượt quá thời gian hiện hành.

Các đồng hồ nguyên tử cũ hơn hoạt động ở tần số vi sóng đã tìm kiếm vật chất tối trước đây, nhưng đây là lần đầu tiên một đồng hồ mới hơn, hoạt động ở tần số quang học cao hơn và một bộ dao động siêu ổn định để đảm bảo sóng ánh sáng ổn định, đã được khai thác để thiết lập các giới hạn chính xác hơn trên tìm kiếm. Nghiên cứu được mô tả trên Tạp chí Physical Review Letters .

Các quan sát vật lý thiên văn cho thấy vật chất tối tạo nên hầu hết các “thứ” trong vũ trụ nhưng cho đến nay nó vẫn chưa nắm bắt được. Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã tìm kiếm nó dưới nhiều hình thức khác nhau. Nhóm JILA tập trung vào vật chất tối siêu nhẹ, theo lý thuyết có khối lượng nhỏ (nhỏ hơn nhiều so với một electron duy nhất) và bước sóng khổng lồ – khoảng cách một hạt lan truyền trong không gian – có thể lớn bằng kích thước của các thiên hà lùn . Loại vật chất tối này sẽ bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn với các thiên hà và do đó với vật chất thông thường.

Vật chất tối siêu nhẹ được cho là sẽ tạo ra những dao động cực nhỏ trong hai “hằng số” vật lý cơ bản: khối lượng của electron và hằng số cấu trúc mịn. Nhóm JILA đã sử dụng đồng hồ mạng stronti và đồng hồ hydro maser (một phiên bản vi sóng của laser) để so sánh các tần số quang học và vi sóng nổi tiếng của chúng, tương ứng với tần số ánh sáng cộng hưởng trong một khoang siêu ổn định làm từ một tinh thể bằng silicon nguyên chất. Tỷ lệ tần số kết quả nhạy cảm với sự thay đổi theo thời gian ở cả hai hằng số. Sự dao động tương đối của các tỷ lệ và hằng số có thể được sử dụng làm cảm biến để kết nối các mô hình vũ trụ học của vật chất tối với các lý thuyết vật lý được chấp nhận.

Nhóm JILA đã thiết lập các giới hạn mới trên một mức sàn đối với các dao động “bình thường”, vượt quá giới hạn này bất kỳ tín hiệu bất thường nào được phát hiện sau đó có thể là do vật chất tối. Các nhà nghiên cứu đã hạn chế sức mạnh liên kết của vật chất tối siêu nhẹ với khối lượng điện tử và hằng số cấu trúc mịn phải theo thứ tự 10-5 (1 trên 100.000) hoặc nhỏ hơn, phép đo chính xác nhất từng có giá trị này.

JILA được điều hành bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và Đại học Colorado Boulder.

“Không ai thực sự biết bạn sẽ bắt đầu nhìn thấy vật chất tối ở mức độ nhạy nào trong các phép đo trong phòng thí nghiệm”, NIST / JILA Fellow Jun Ye nói. “Vấn đề là vật lý như chúng ta biết ở thời điểm này vẫn chưa hoàn thiện. Chúng tôi biết có điều gì đó còn thiếu sót nhưng chúng tôi chưa biết cách khắc phục.”

“Chúng tôi biết vật chất tối tồn tại từ các quan sát vật lý thiên văn, nhưng chúng tôi không biết vật chất tối kết nối với vật chất thông thường và các giá trị mà chúng tôi đo lường được như thế nào”, Ye nói thêm. “Các thí nghiệm như của chúng tôi cho phép chúng tôi kiểm tra các mô hình lý thuyết khác nhau mà mọi người đặt lại với nhau để cố gắng khám phá bản chất của vật chất tối. Bằng cách thiết lập các giới hạn ngày càng tốt hơn, chúng tôi hy vọng sẽ loại bỏ một số mô hình lý thuyết không chính xác và cuối cùng sẽ khám phá ra trong tương lai.”

Các nhà khoa học không chắc liệu vật chất tối bao gồm các hạt hay trường dao động ảnh hưởng đến môi trường địa phương, Ye lưu ý. Ông nói, các thí nghiệm của JILA nhằm phát hiện hiệu ứng “kéo” của vật chất tối lên vật chất thông thường và trường điện từ.

Đồng hồ nguyên tử là thiết bị thăm dò chính cho vật chất tối vì chúng có thể phát hiện những thay đổi trong các hằng số cơ bản và đang cải thiện nhanh chóng về độ chính xác, độ ổn định và độ tin cậy. Độ ổn định của khoang cũng là một yếu tố quan trọng trong các phép đo mới. Tần số cộng hưởng của ánh sáng trong hốc phụ thuộc vào chiều dài của hốc, có thể truy ngược về bán kính Bohr (hằng số vật lý bằng khoảng cách giữa hạt nhân và electron trong nguyên tử hydro). Bán kính Bohr cũng liên quan đến các giá trị của hằng số cấu trúc mịn và khối lượng electron. Do đó, những thay đổi của tần số cộng hưởng so với tần số chuyển tiếp trong nguyên tử có thể chỉ ra sự dao động trong các hằng số này do vật chất tối gây ra.

Các nhà nghiên cứu đã thu thập dữ liệu về tỷ lệ tần số stronti / khoang trong 12 ngày với đồng hồ chạy 30% thời gian, kết quả là tập dữ liệu dài 978,041 giây. Dữ liệu về hydro maser kéo dài 33 ngày với maser chạy 94% thời gian, dẫn đến kỷ lục 2.826.942 giây. Tỷ lệ tần số hydro / khoang tạo ra độ nhạy hữu ích đối với khối lượng điện tử mặc dù maser kém ổn định hơn và tạo ra tín hiệu ồn hơn đồng hồ stronti.

Các nhà nghiên cứu của JILA đã thu thập dữ liệu tìm kiếm vật chất tối trong lần trình diễn gần đây của họ về thang thời gian cải tiến – một hệ thống kết hợp dữ liệu từ nhiều đồng hồ nguyên tử để tạo ra một tín hiệu giờ hiện hành duy nhất, chính xác cao để phân phối. Khi hiệu suất của đồng hồ nguyên tử, khoang quang học và thang thời gian được cải thiện trong tương lai, tỷ lệ tần số có thể được kiểm tra lại với độ phân giải ngày càng cao, mở rộng phạm vi tìm kiếm vật chất tối hơn nữa.

Ye nói: “Bất cứ khi nào người ta đang chạy thang đo thời gian nguyên tử quang học, đều có cơ hội đặt ra một giới hạn mới hoặc khám phá ra vật chất tối. “Trong tương lai, khi chúng ta có thể đưa những hệ thống mới này lên quỹ đạo, nó sẽ là ‘kính thiên văn’ lớn nhất từng được chế tạo để tìm kiếm vật chất tối.”

Nguồn tài trợ do NIST, Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng và Quỹ Khoa học Quốc gia cung cấp.


Nguồn truyện:

Tài liệu do Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.


Tham khảo Tạp chí :

  1. Colin J. Kennedy, Eric Oelker, John M. Robinson, Tobias Bothwell, Dhruv Kedar, William R. Milner, G. Edward Marti, Andrei Derevianko, Jun Ye. Đo lường chính xác đáp ứng vũ trụ học: Các hạn chế được cải thiện đối với Vật chất tối siêu nhẹ từ so sánh tần số khoang nguyên tử . Các Thư Đánh giá Vật lý , 2020; 125 (20) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.201302

Bài viết liên quan

Bài viết mới