Materia oscura y gas en simulación Crédito:Illustris Collaboration. Los relojes ópticos y las cavidades de silicio cristalino mejoradas pueden mejorar las restricciones sobre posibles interacciones de materia oscura y campos y partículas en el modelo estándar.
Los relojes ópticos son tan precisos que se necesitarían aproximadamente 20 mil millones de años, más que la edad del universo, para perder o ganar un segundo. Ahora, Investigadores en los EE. UU. liderados por el grupo de Jun Ye en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Colorado han explotado la precisión y exactitud de su reloj óptico y la estabilidad sin precedentes de su cavidad óptica de silicio cristalino para reforzar las restricciones sobre cualquier posible acoplamiento. entre partículas y campos en el modelo estándar de la física y los hasta ahora esquivos componentes de la materia oscura.
La existencia de materia oscura es indirectamente evidente a partir de los efectos gravitacionales a escalas galácticas y cosmológicas, pero más allá de eso, poco se sabe de su naturaleza. Uno de los efectos que se desprende del análisis teórico del acoplamiento de la materia oscura a las partículas en el modelo estándar de la física es una oscilación resultante en las constantes fundamentales. Ye y sus colaboradores pensaron que si su equipo de metrología de clase mundial no podía detectar estas oscilaciones, entonces este resultado aparentemente nulo sería una confirmación útil de que la fuerza de las interacciones de la materia oscura con las partículas en el modelo estándar de la física debe ser incluso más baja que la dictada por las restricciones registradas hasta ahora.
Marcado de valores constantes fundamentales
Los intentos anteriores de precisar la evidencia directa de la materia oscura van desde experimentos de laboratorio hasta enormes proyectos de colisionadores de partículas, como los del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Muchos de estos esfuerzos han buscado interacciones con, por ejemplo, partículas masivas de interacción débil (WIMP), que tienen masas similares a un átomo de plata en el rango de 100 GeV, o axiones:una partícula hipotética destinada a explicar elementos de la física de partículas, y que podría encajar con las teorías de la materia oscura. Sin embargo, Ye y sus colaboradores utilizaron su reloj óptico y sus dispositivos de cavidad para detectar posibles interacciones entre la materia oscura y las partículas en el extremo inferior del espectro de masas muy por debajo de 1 eV. que es 500, 000 veces menor que la masa de un electrón en reposo.
Los relojes ópticos son un tipo de reloj atómico. Los primeros relojes atómicos aprovecharon las transiciones hiperfinas en los átomos de cesio 133, cuando los electrones del átomo de cesio 133 giran, el cambio resultante en la energía del estado del átomo se emite como radiación electromagnética con una frecuencia característica en el rango de microondas. Sin embargo, las transiciones entre orbitales de electrones en átomos de estroncio conducen a cambios de energía con una frecuencia correspondiente mucho más alta en el rango óptico, y ahora que se ha desarrollado la tecnología para medir estas transiciones, incluso es posible un registro del tiempo con mayor precisión. Qué es más, la frecuencia de los relojes ópticos está directamente relacionada con ciertas constantes fundamentales, proporcionando una ruta para medir las variaciones potenciales de estas cantidades con una precisión sin precedentes.
Ye y sus colaboradores utilizaron su reloj óptico para buscar cualquier variación en la constante fundamental α, la constante de estructura fina, que define la fuerza de las interacciones entre partículas cargadas y fotones. Para tal fin, compararon la frecuencia de los átomos de estroncio utilizados en el reloj óptico con su cavidad de silicio cristalino, un dispositivo utilizado en láseres que permite que las ondas electromagnéticas reboten entre superficies reflectantes opuestas y creen una onda estacionaria con una frecuencia característica determinada por la longitud de la cavidad. La frecuencia de ambos dispositivos se define en términos de α y m mi (otra constante fundamental que da la masa del electrón) pero con diferentes dependencias, de modo que la relación entre las dos frecuencias revela cualquier variación en la constante α.
"La gente ha utilizado relojes atómicos en frecuencias de microondas para restringir los límites de las fuerzas de acoplamiento de la materia oscura, pero este trabajo representaría los primeros resultados sobre el uso de relojes atómicos ópticos para proporcionar restricciones sobre la firma oscilatoria de la materia oscura, "dice Ye.
Además de comparar la frecuencia de la cavidad con los átomos del reloj, los investigadores lo compararon con la frecuencia de un máser de hidrógeno, un estándar de frecuencia de microondas que genera radiación basada en transiciones entre diferentes estados de espín electrónico y nuclear en el átomo de hidrógeno. Aunque el máser de hidrógeno no proporciona un mantenimiento del tiempo tan preciso como el reloj óptico basado en estroncio, las transiciones de energía en las que se basa conducen a una relación diferente entre la frecuencia y las constantes α y m mi, tal que la relación de su frecuencia con la de la cavidad de silicio cristalino proporciona una sonda para las variaciones en el valor de m mi , así como. Si bien las oscilaciones en el valor de α indicarían interacciones entre la materia oscura y los campos electromagnéticos, oscilaciones en m mi revelaría interacciones con la masa del electrón.
Las relaciones de frecuencia medidas entre la cavidad y tanto el reloj óptico como el máser de hidrógeno también aprovechan otra ventaja crucial:la estabilidad de la cavidad de silicio cristalino. "La mayoría de las cavidades están hechas de vidrio, que es un desorden, sólido amorfo que tiene mucha deriva dimensional e inestabilidad, "explica Colin Kennedy, investigador del grupo de Ye y primer autor del informe de estos resultados, destacando la ventaja de utilizar una cavidad formada por un gran monocristal de silicio. "Esta nueva generación de cavidades están hechas de monocristales de silicio y también se mantienen a temperaturas criogénicas, haciéndolos órdenes de magnitud más estables. Ésta es la ventaja clave de nuestro trabajo ".
Acercándose a la materia oscura
Si bien (como se esperaba) los investigadores no observaron oscilaciones en las constantes fundamentales debido a interacciones con la materia oscura, sus datos redujeron el rango de valores posibles que podrían tener los parámetros de esta interacción. Para partículas de materia oscura con masas en el rango de 4.5 × 10 −16 hasta 1 × 10 −19 eV, la posible fuerza de las interacciones de la materia oscura definidas por α está limitada por un factor adicional de hasta cinco por estos resultados, y los definidos por m mi están limitados por un factor de 100 para masas entre 2 × 10 −19 y 2 × 10 −21 eV.
"La idea de usar una frecuencia de resonancia de cavidad óptica para comparar con una frecuencia atómica se propuso por primera vez en un intercambio de correo electrónico entre el profesor Victor Flambaum y yo, "Le dice a phys.org, recordando su intercambio alrededor de 2015. Si bien Flambaum rápidamente escribió un artículo describiendo las ideas básicas que discutieron, Ye dice que "quería ver los resultados experimentales. Y aquí estamos".
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