Czy ciemna materia może oddziaływać z fotonami i wpływać na strukturę atomu? Obudowa optycznych zegarów atomowych: porównano dwa różne typy takich zegarów w Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w ramach Collaborative Research Centre DQ-mat i Cluster of Excellence QuantumFrontiers. Jest to jak dotąd najdokładniejsze poszukiwanie interakcji ultralekkiej ciemnej materii z fotonami.

Dzięki tej pracy istniejące granice wykrywalności możliwego sprzężenia zostały poprawione o ponad rząd wielkości – w szerokim zakresie mas cząstek ciemnej materii. Chociaż nie znaleziono żadnych dowodów na sprzężenie ciemnej materii, praca przybliża nas do zrozumienia natury i potencjalnych interakcji ciemnej materii. Wyniki śledztwa zostały opublikowane w bieżącym numerze czasopisma Listy z przeglądu fizycznego.

Obserwacje astronomiczne wskazują na istnienie tak zwanej „ciemnej materii”, która stanowi ponad 80% całej materii i, o ile nam wiadomo, oddziałuje ze zwykłą widzialną materią wyłącznie grawitacyjnie. W szczególności nie ustalono jeszcze żadnego dowodu na interakcję z fotonami (z cząstek elementarnych, z których składa się również światło), stąd termin „ciemny” dla tego rodzaju materii. Pozostaje wielką tajemnicą, z czego zbudowana jest ciemna materia i czy istnieją wciąż nieznane interakcje z konwencjonalną materią.

Szczególnie obiecujące podejście teoretyczne sugeruje, że ciemna materia może składać się z cząstek, które są niezwykle lekkie i zachowują się bardziej jak fale niż pojedyncze cząstki: tak zwana „ultralekka” ciemna materia. W tym przypadku wcześniej nieodkryte, słabe oddziaływania ciemnej materii z fotonami doprowadziłyby do niewielkich oscylacji stałej struktury subtelnej.

Stała struktury subtelnej jest naturalną stałą opisującą siłę oddziaływania elektromagnetycznego. Określa skale energii atomowej, a tym samym wpływa na częstotliwości przejść, które są używane jako odniesienia w zegarach atomowych. Ponieważ różne przejścia są wrażliwe na możliwe zmiany stałej w różnym stopniu, porównania zegarów atomowych można wykorzystać do poszukiwania ultralekkiej ciemnej materii. W tym celu naukowcy z PTB wykorzystali teraz zegar atomowy, który jest szczególnie czuły na możliwe zmiany stałej struktury subtelnej w takich poszukiwaniach.

W tym celu ten czuły zegar atomowy porównano z dwoma innymi zegarami atomowymi o niższej czułości w wielomiesięcznych pomiarach. Otrzymane dane pomiarowe zbadano pod kątem oscylacji, sygnatury ultralekkiej ciemnej materii. Ponieważ nie znaleziono żadnych znaczących oscylacji, ciemna materia pozostała „ciemna”, nawet przy bliższym zbadaniu. Nie udało się zatem wykryć tajemniczej ciemnej materii. Brak sygnału pozwolił na wyznaczenie nowych eksperymentalnych górnych granic siły możliwego sprzężenia ultralekkiej materii z fotonami. Poprzednie limity zostały poprawione o więcej niż jeden rząd wielkości w szerokim zakresie.

Jednocześnie naukowcy badali również, czy stała struktury subtelnej może zmieniać się w czasie, na przykład poprzez bardzo powolny wzrost lub spadek. Takiej zmienności nie wykryto w danych. Tutaj również zaostrzono istniejące limity, co wskazuje, że stała pozostaje stała nawet przez długi czas.

W przeciwieństwie do poprzednich porównań zegarów, w których każdy zegar atomowy wymagał własnego systemu eksperymentalnego, dwa z trzech zegarów atomowych zostały zrealizowane w jednym układzie eksperymentalnym w tej pracy. W tym celu wykorzystano dwie różne częstotliwości przejść pojedynczego uwięzionego jonu: Jon badano naprzemiennie na obu przejściach optycznych. Jest to ważny krok w kierunku uczynienia porównań częstotliwości optycznych jeszcze bardziej zwartymi i solidnymi – na przykład do przyszłych poszukiwań ciemnej materii w kosmosie.