Темная материя, эта незримая субстанция, составляющая примерно 80% всей массы Вселенной, продолжает ускользать от ученых: за почти сто лет поисков ни один детектор не смог зарегистрировать ее непосредственно.
Международная команда исследователей из Израиля, Германии и США представила совершенно новый, оригинальный инструмент для поиска темной материи — ядерные часы, основанные на уникальных характеристиках изотопа тория-229.
В отличие от обычных атомных часов, которые определяют время по переходам электронов между энергетическими уровнями, ядерные часы сосредоточены на процессах внутри ядра и измеряют переходы протонов и нейтронов. Они значительно лучше защищены от внешних воздействий, чем электроны, поэтому ядерные часы крайне чувствительны к едва заметным колебаниям, которые может вызывать темная материя.
Изотоп тория-229 выбран для ядерных часов не случайно — он имеет самую низкую энергию возбуждения среди всех известных атомных ядер. Это открытие, сделанное еще в 1976 году, делает торий-229 единственным элементом, ядро которого можно исследовать с помощью лазерной спектроскопии — метода, применяемого обычно только к электронам.
«В мире, состоящем лишь из видимой материи, спектр поглощения любого вещества оставался бы постоянным», — поясняет профессор Гилад Перес из Института Вейцмана. «Однако темная материя окружает нас, и ее волновая природа может незначительно изменять массу атомных ядер и вызывать временные сдвиги в их спектре поглощения».
Физики провели анализ спектров тория-229 в лабораториях Колорадо и в немецком национальном метрологическом институте PTB. Они моделировали, как темная материя может искажать форму ядерных линий — детальный профиль интенсивности сигнала на различных частотах. При этом значение имеет не только положение пика сигнала, но и вся его форма, которая может содержать скрытые признаки невидимых сил.
Сравнивая результаты измерений с теоретическими моделями, команда впервые установила экспериментальные ограничения на то, как сверхлегкая темная материя может взаимодействовать с ядерной материей. Пока что использованные спектры имели ширину линии около 20 гигагерц — это слишком много для точного обнаружения темной материи. Однако недавние эксперименты уже сузили ее до 300 килогерц, а будущие работы могут довести до сотен герц.
