Тёмная материя попалась в сеть лазеров и атомных часов

Международная группа учёных предложила необычный способ изучения тёмной материи – с помощью атомных часов и сети оптических лазерных резонаторов. Впервые исследователям удалось измерить, как сверхлёгкие частицы влияют на электроны на частотах ниже одного герца.

Квантовые часы отсчитывают время по колебаниям атомов. В спутниках GPS они уже стали незаменимыми: помогают определять местоположение объектов с высокой точностью. Во втором ключевом элементе установки, оптических резонаторах, луч лазера многократно отражается между двумя зеркалами. Частота излучения становится исключительно стабильной – такие системы уже активно применяют в высокоскоростных оптоволоконных сетях.

"Мы наблюдаем волновое поведение материи – всё из-за крайне малой массы частиц", – объясняет Эшли Кэдделл , аспирантка Университета Квинсленда. Высокоточные приборы выступают в роли сверхчувствительных детекторов – они улавливают мельчайшие изменения фундаментальных констант, в частности, массы электрона.

Прежние методы поиска предполагали размещение всех датчиков в одной точке. Приборы фиксировали одну и ту же фазу волны, что мешало увидеть полную картину. Более того, если волновые эффекты одинаково воздействовали на два датчика, они взаимно уничтожались. Решение оказалось простым – разнести точки измерения на большое расстояние.

"Мы смогли заметить мельчайшие колебания полей, которые раньше пропадали в обычных установках, так как гасили друг друга", – рассказывает Кэдделл.

Исследование включало два типа измерений. Сначала учёные следили за колебаниями частот между парой лазерных резонаторов, соединённых оптоволокном длиной 2220 километров. Так им удалось зафиксировать пространственные изменения поля. Затем физики проанализировали данные с микроволновых атомных часов на спутниках GPS и увидели, как это поле меняется во времени.

Важно было найти колебания продолжительностью от двух до 105 секунд – этот диапазон соответствует частицам с массой от 10⁻¹⁹ до 2×10⁻¹⁵ электронвольт. До настоящего момента никто не проверял экспериментально влияние сверхлёгкой материи на колебания массы электрона на частотах ниже одного герца. Результаты исследования показали: либо эффект отсутствует, либо настолько мал, что современные приборы не могут его зафиксировать.

"Самое удивительное, что мы смогли зарегистрировать сигналы от частиц, которые одинаково взаимодействуют со всеми атомами. Раньше такие явления не удавалось обнаружить никакими способами", – подчёркивает Кэдделл.

Физик Бенджамин Робертс из Университета Квинсленда, также участвовавший в работе, уверен: новый метод позволит проверить самые разные теории о природе неуловимой субстанции и может помочь разгадать одну из главных загадок устройства Вселенной.