Los investigadores de JILA han utilizado un reloj atómico de última generación para limitar la búsqueda de materia oscura elusiva, un ejemplo de cómo las mejoras continuas en los relojes tienen un valor más allá del cronometraje.

Los relojes atómicos más antiguos que operan a frecuencias de microondas han buscado materia oscura antes, pero esta es la primera vez que un reloj más nuevo, operando a frecuencias ópticas más altas, y un oscilador ultraestable para asegurar ondas de luz estables, se han aprovechado para establecer límites más precisos en la búsqueda. La investigación se describe en Cartas de revisión física .

Las observaciones astrofísicas muestran que la materia oscura constituye la mayor parte de las "cosas" del universo, pero hasta ahora ha eludido su captura. Investigadores de todo el mundo lo han estado buscando de diversas formas. El equipo de JILA se centró en la materia oscura ultraligera, que, en teoría, tiene una masa diminuta (mucho menos que un solo electrón) y una longitud de onda enorme (qué tan lejos se extiende una partícula en el espacio) que podría ser tan grande como el tamaño de las galaxias enanas. Este tipo de materia oscura estaría unida por la gravedad a las galaxias y, por tanto, a la materia ordinaria.

Se espera que la materia oscura ultraligera cree pequeñas fluctuaciones en dos "constantes" físicas fundamentales:la masa del electrón, y la constante de estructura fina. El equipo de JILA utilizó un reloj de celosía de estroncio y un máser de hidrógeno (una versión de microondas de un láser) para comparar sus conocidas frecuencias ópticas y de microondas. respectivamente, a la frecuencia de la luz resonando en una cavidad ultraestable hecha de un solo cristal de silicio puro. Las relaciones de frecuencia resultantes son sensibles a las variaciones a lo largo del tiempo en ambas constantes. Las fluctuaciones relativas de las proporciones y constantes se pueden utilizar como sensores para conectar modelos cosmológicos de materia oscura con teorías físicas aceptadas.

El equipo de JILA estableció nuevos límites en un piso para fluctuaciones "normales", más allá de lo cual cualquier señal inusual descubierta más tarde podría deberse a la materia oscura. Los investigadores limitaron la fuerza de acoplamiento de la materia oscura ultraligera a la masa de electrones y la constante de estructura fina del orden de 10 ^-5 o menos, la medición más precisa jamás realizada de este valor.

JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

"Nadie sabe realmente a qué nivel de sensibilidad comenzará a ver materia oscura en las mediciones de laboratorio, "El miembro de NIST / JILA, Jun Ye, dijo." El problema es que la física, tal como la conocemos, no está del todo completa en este momento. Sabemos que falta algo, pero todavía no sabemos cómo solucionarlo ".

"Sabemos que la materia oscura existe a partir de observaciones astrofísicas, pero no sabemos cómo se conecta la materia oscura con la materia ordinaria y los valores que medimos, "Ye agregó." Experimentos como el nuestro nos permiten probar varios modelos teóricos que la gente reunió para tratar de explorar la naturaleza de la materia oscura. Estableciendo mejores y mejores límites, esperamos descartar algunos modelos teóricos incorrectos y eventualmente hacer un descubrimiento en el futuro ".

Los científicos no están seguros de si la materia oscura está formada por partículas o campos oscilantes que afectan los entornos locales. Ya lo notó. Los experimentos de JILA están destinados a detectar el efecto de "tracción" de la materia oscura en la materia ordinaria y los campos electromagnéticos, él dijo.

Los relojes atómicos son las principales sondas para la materia oscura porque pueden detectar cambios en las constantes fundamentales y están mejorando rápidamente en precisión. estabilidad y fiabilidad. La estabilidad de la cavidad también fue un factor crucial en las nuevas mediciones. La frecuencia de resonancia de la luz en la cavidad depende de la longitud de la cavidad, que se remonta al radio de Bohr (una constante física igual a la distancia entre el núcleo y el electrón en un átomo de hidrógeno). El radio de Bohr también está relacionado con los valores de la constante de estructura fina y la masa del electrón. Por lo tanto, los cambios en la frecuencia de resonancia en comparación con las frecuencias de transición en los átomos pueden indicar fluctuaciones en estas constantes causadas por la materia oscura.

Los investigadores recopilaron datos sobre la relación de frecuencia estroncio / cavidad durante 12 días con el reloj funcionando el 30% del tiempo, resultando en un conjunto de datos 978, 041 segundos de duración. Los datos de máser de hidrógeno abarcaron 33 días con el máser funcionando el 94% del tiempo, resultando en un 2, 826, Récord de 942 segundos. La relación de frecuencia de hidrógeno / cavidad proporcionó una sensibilidad útil a la masa de electrones, aunque el máser era menos estable y producía señales más ruidosas que el reloj de estroncio.

Los investigadores de JILA recopilaron los datos de búsqueda de materia oscura durante su reciente demostración de una escala de tiempo mejorada, un sistema que incorpora datos de múltiples relojes atómicos para producir uno solo, señal de cronometraje de alta precisión para distribución. Como el desempeño de los relojes atómicos, las cavidades ópticas y las escalas de tiempo mejoran en el futuro, las relaciones de frecuencia se pueden volver a examinar con una resolución cada vez mayor, ampliando aún más el alcance de las búsquedas de materia oscura.

"Cada vez que se ejecuta una escala de tiempo atómica óptica, existe la posibilidad de establecer un nuevo límite o hacer un descubrimiento de la materia oscura, "Vosotros dijiste". En el futuro, cuando podamos poner estos nuevos sistemas en órbita, será el 'telescopio' más grande jamás construido para la búsqueda de materia oscura ".