Znajdź zawartość

Grupa ekspertów porównała trzy najlepsze na świecie zegary atomowe. Okazało się, że istnieją niespodziewane różnice w dokonywanych przez nie pomiarach czasu. Badania pozwolą na udoskonalenie przyszłych zegarów atomowych i mogą odegrać ważną rolę w ustaleniu nowego standardu sekundy, do którego to niezbędne jest wysyłanie na cały świat i porównywanie sygnałów z zegarów atomowych. Specjaliści z Boulder Atomic Clock Optical Network Collaboration połączyli zegary za pomocą światłowodów i optycznych łączy bezprzewodowych i dokonali 10-krotnie bardziej dokładnych porównań niż dotychczas. Zegary atomowe wykorzystują częstotliwość drgań atomów do niezwykle stabilnych pomiarów czasu. Obecny standard sekundy opiera się na drganiach atomów cezu pracujących z częstotliwością mikrofalową. Istnieją już jednak znacznie bardziej precyzyjne zegary atomowe wykorzystujące częstotliwość fali światła. Zegary te działają z dokładnością 1 części na 1018, są więc około 100-krotnie bardziej dokładne niż zegary cezowe. Międzynarodowa społeczność metrologów ma zamiar zrezygnować ze standardu sekundy opartego na cezie i zastąpić go standardem wykorzystującym światło. Jednak najpierw trzeba wybrać, który z optycznych zegarów – a zbudowano ich już wiele według różnych technologii – posłuży za nowy standard. Naukowcy muszą więc porównać i ocenić te zegary, muszą więc mieć możliwość porównania generowanych przez nie sygnałów. David Hume i jego koledzy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) oraz University of Colorado porównali sygnały trzech zegarów atomowych z Boulder. Jeden z nich wykorzystuje atomy iterbu, drugi strontu, a trzeci jony glinu i magnezu. Za pomocą światłowodu o długości 3,6 km porównano częstotliwości zegarów iterbowego (znajduje się w siedzibie NIST) oraz strontowego (jest na University of Colorado). Z kolei zegary iterbowy i magnezonowo-glinowy (oba są w NIST) połączono za pomocą 1,5 kilometrowego bezprzewodowego łącza optycznego. Specjaliści wykorzystali optyczne grzebienie częstości, które pozwoliły im porównywać sygnały w różnych częstotliwościach. Optyczne łącze bezprzewodowe okazało się bardzo odporne na zakłócenia powodowane przez turbulencje powietrza. Z wyjątkiem sytuacji, gdy pomiarów dokonywano w czasie burzy śnieżnej, były ono równie stabilne i wydajne, co łącze przewodowe. Ekspertom udało się zmierzyć stosunek częstotliwości trzech par zegarów z dokładnością 1/1018. Dotychczas podobne pomiary były dokonywane z dokładnością 1/1017. Zegary porównywano przez wiele miesięcy, a naukowcy zauważyli niespodziewane różnice pomiędzy poszczególnymi dniami. To wskazuje, że eksperci nie do końca rozumieją, co wpływa na wydajność i sposób pracy zegarów. Można je zatem udoskonalić. Możliwość lepszego porównywania zegarów atomowych przyda się nie tylko podczas ustalenia nowego standardu sekundy, ale przyniesie korzyści innym dziedzinom nauki. Zegary atomowe położone na różnej wysokości mogą być używane do pomiarów niewielkich przesunięć skorupy ziemskiej spowodowanych topnieniem lodowców czy rosnącym poziomem oceanów. Różnice pomiędzy zegarami atomowymi mogą też zostać wykorzystane do wykrycia ciemnej materii. Wyniki badań opisano na łamach Nature. « powrót do artykułu

Współczesne zegary optyczne pracują z dokładnością 1 sekundy na 20 miliardów lat. Dlatego też naukowcy z USA, pracujący pod kierunkiem Juna Ye z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii postanowili wykorzystać tę precyzję oraz niezwykłą stabilność wykorzystywanych w nich kryształów krzemowych do uściślenia zakresu potencjalnych interakcji zachodzących pomiędzy ciemną materią a cząstkami i polami Modelu Standardowymi. O ciemnej materii wiemy niewiele. Mamy jedynie pośrednie dowody na jej istnienie, gdyż widzimy wywierane przez nią efekty grawitacyjne w skali galaktycznej i kosmologicznej. Jednym z elementów, które dotychczas wymykają się naukowcom poszukującym ciemnej materii są spodziewane oscylacje stałych fizycznych, jakie powinny zachodzić na styku ciemnej materii oddziałującej z cząstkami Modelu Standardowego. Ye i jego zespół zdali sobie sprawę, że jeśli za pomocą zegara optycznego nie uda się zaobserwować takich oscylacji, oznacza to, że siła interakcji ciemnej materii z materią jest znacznie mniejsza niż obecnie przyjmowana. Poszukiwania ciemnej materii prowadzone są w wielu laboratoriach na świecie. Cząstkami ciemnej materii mogą być hipotetyczne aksjony czy WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki) o masach sięgających 100 GeV. Jednak Amerykanie postanowili przyjrzeć się drugiemu krańcowi masy. Wykorzystali zegar optyczny do poszukiwania możliwych interakcji pomiędzy ciemną materią a materią przy masach znacznie poniżej 1 eV czyli o 500 000 razy mniejszych niż masa elektronu w czasie spoczynku. Zegary optyczne to rodzaj zegarów atomowych. Wykorzystują one drgania atomów strontu. Częstotliwość ich pracy jest bezpośrednio związana z niektórymi stałymi fizycznymi, co pozwala dokonywać niezwykle precyzyjnych pomiarów ewentualnych zmian. Ye i jego zespół użyli więc zegara optycznego do poszukiwania jakichkolwiek zmian stałej struktury subtelnej (α), która opisuje siłę oddziaływań elektromagnetycznych. W tym celu porównali częstotliwość drgań atomu strontu z krzemową wnęką optyczną. Częstotliwość obu jest definiowana przez α oraz inną stałą fizyczną, masę spoczynkową elektronu (me). Jednak w obu przypadkach zależności pomiędzy stałymi są różne, zatem ich stosunek do siebie pozwala na określenie ewentualnych zmian α. Używano już zegarów atomowych pracujących z częstotliwościami mikrofalowymi do określenia granic siły oddziaływania ciemnej materii. Nasza praca to pierwsza próba wykorzystania zegara optycznego do znalezienia oscylacji świadczących o istnieniu ciemnej materii, mówi Ye. Naukowcy porównali więc częstotliwość wnęki optycznej do częstotliwości zegara optycznego i dodatkowo użyli też częstotliwości wodorowego masera. Co prawda urządzenie to nie pozwala na tak precyzyjne pomiary jak zegar optyczny, jednak bazuje on na innym stosunku częstotliwości do α i me, a dzięki porównaniu tych właściwości z danymi krzemowej wnęki można sprawdzać ewentualne oscylacje wartości me. O ile oscylacje wartości a wskazywałaby na oddziaływania pomiędzy ciemną materią a polem elektromagnetycznym, to oscylacje me ujawniłyby jej interakcje z elektronem. Wykorzystanie w pomiarach krzemowej wnęki optycznej pozwala dodatkowo skorzystać z jej stabilności. Większość takich wnęk jest wykonanych ze szkła, które jest nieuporządkowanym amorficznym ciałem stałym. Nowa generacja krzemowych wnęk optycznych wykonanych z pojedynczego kryształu krzemu utrzymywanego w temperaturach kriogenicznych powoduje, że są one o cały  rząd wielkości bardziej stabilne. To podstawowa zaleta naszej pracy, mówi Colin Kennedy, jeden z autorów badań. Tak jak się spodziewano, nie zaobserwowano oscylacji podstawowych stałych fizycznych spowodowanych oddziaływaniem z ciemną materią. Oznacza to, że dla cząstek ciemnej materii o masie od 4,5 x 10-16 aż do 1 x 10-19 eV możliwa siła oddziaływań definiowana przez α jest nawet pięciokrotnie mniejsza niż obecnie zakładana. Dla stałej me i cząstek o masie 2 x 10-19 po 2 x 10-21 eV siła ta jest nawet 100-krotnie mniejsza. Ze szczegółami można zapoznać się w pracy Precision Metrology Meets Cosmology: Improved Constraints on Ultralight Dark Matter from Atom-Cavity Frequency Comparisons « powrót do artykułu