Os pesquisadores da JILA usaram um relógio atômico de última geração para estreitar a busca por matéria escura indescritível, um exemplo de como melhorias contínuas nos relógios têm valor além da hora.

Relógios atômicos mais antigos operando em frequências de micro-ondas já procuraram por matéria escura antes, mas esta é a primeira vez que um relógio mais novo, operando em frequências ópticas mais altas, e um oscilador ultra-estável para garantir ondas de luz constantes, foram aproveitados para definir limites mais precisos na pesquisa. A pesquisa é descrita em Cartas de revisão física .

As observações astrofísicas mostram que a matéria escura constitui a maior parte das "coisas" no universo, mas até agora não foi capturada. Pesquisadores de todo o mundo têm procurado por ele de várias formas. A equipe JILA se concentrou em matéria escura ultraleve, que em teoria tem uma pequena massa (muito menos do que um único elétron) e um comprimento de onda enorme - a distância que uma partícula se espalha no espaço - que pode ser tão grande quanto o tamanho de galáxias anãs. Esse tipo de matéria escura seria ligado pela gravidade às galáxias e, portanto, à matéria comum.

Espera-se que a matéria escura ultraleve crie pequenas flutuações em duas "constantes" físicas fundamentais:a massa do elétron, e a constante de estrutura fina. A equipe JILA usou um relógio de estrutura de estrôncio e um maser de hidrogênio (uma versão de micro-ondas de um laser) para comparar suas frequências ópticas e de micro-ondas bem conhecidas, respectivamente, à frequência da luz que ressoa em uma cavidade ultraestável feita de um único cristal de silício puro. As relações de frequência resultantes são sensíveis às variações ao longo do tempo em ambas as constantes. As flutuações relativas das razões e constantes podem ser usadas como sensores para conectar modelos cosmológicos de matéria escura a teorias físicas aceitas.

A equipe JILA estabeleceu novos limites em um piso para flutuações "normais", além do qual quaisquer sinais incomuns descobertos mais tarde podem ser devidos à matéria escura. Os pesquisadores restringiram a força de acoplamento da matéria escura ultraleve à massa do elétron e à constante de estrutura fina da ordem de 10 ^-5 ou menos, a medição mais precisa deste valor.

A JILA é operada em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder.

"Ninguém sabe realmente em que nível de sensibilidade você começará a ver a matéria escura em medições de laboratório, "NIST / JILA Fellow Jun Ye disse." O problema é que a física como a conhecemos não está totalmente completa neste ponto. Sabemos que algo está faltando, mas ainda não sabemos como consertar. "

"Sabemos que a matéria escura existe a partir de observações astrofísicas, mas não sabemos como a matéria escura se conecta à matéria comum e os valores que medimos, "Ye acrescentou." Experimentos como o nosso nos permitem testar vários modelos teóricos que as pessoas montaram para tentar explorar a natureza da matéria escura. Ao definir limites cada vez melhores, esperamos descartar alguns modelos teóricos incorretos e, eventualmente, fazer uma descoberta no futuro. "

Os cientistas não têm certeza se a matéria escura consiste em partículas ou campos oscilantes que afetam os ambientes locais, Ye notou. Os experimentos do JILA têm como objetivo detectar o efeito de "atração" da matéria escura sobre a matéria comum e os campos eletromagnéticos, ele disse.

Os relógios atômicos são as principais sondas para a matéria escura porque podem detectar mudanças nas constantes fundamentais e estão melhorando rapidamente a precisão, estabilidade e confiabilidade. A estabilidade da cavidade também foi um fator crucial nas novas medições. A frequência ressonante da luz na cavidade depende do comprimento da cavidade, que pode ser rastreada até o raio de Bohr (uma constante física igual à distância entre o núcleo e o elétron em um átomo de hidrogênio). O raio de Bohr também está relacionado aos valores da constante de estrutura fina e da massa do elétron. Portanto, mudanças na frequência ressonante em comparação com as frequências de transição nos átomos podem indicar flutuações nessas constantes causadas pela matéria escura.

Os pesquisadores coletaram dados sobre a razão de frequência estrôncio / cavidade por 12 dias com o relógio funcionando 30% do tempo, resultando em um conjunto de dados 978, 041 segundos de duração. Os dados do maser de hidrogênio duraram 33 dias, com o maser funcionando 94% do tempo, resultando em 2, 826, Registro de 942 segundos. A razão de freqüência de hidrogênio / cavidade forneceu sensibilidade útil para a massa do elétron, embora o maser fosse menos estável e produzisse sinais mais ruidosos do que o relógio de estrôncio.

Os pesquisadores da JILA coletaram os dados de pesquisa de matéria escura durante sua demonstração recente de uma escala de tempo aprimorada - um sistema que incorpora dados de vários relógios atômicos para produzir um único, sinal de cronometragem altamente preciso para distribuição. Como o desempenho dos relógios atômicos, cavidades ópticas e escalas de tempo melhoram no futuro, as relações de frequência podem ser reexaminadas com resolução cada vez maior, estendendo ainda mais o alcance das pesquisas de matéria escura.

"Sempre que alguém está executando uma escala de tempo atômica óptica, há uma chance de estabelecer um novo limite ou fazer uma descoberta da matéria escura, "Ye disse." No futuro, quando podemos colocar esses novos sistemas em órbita, será o maior 'telescópio' já construído para a busca de matéria escura. "