ساعت‌های اتمی و لیزرها می‌توانند به ما در یافتن ماده تاریک فوق سبک کمک کنند!

گروهی از محققان بین‌المللی تکنیک جدیدی را توسعه داده‌اند که نویدبخش شناسایی ماده تاریک با استفاده از ساعت‌های اتمی و شبکه‌ای از لیزرهای حفره نوری است.

ساعت اتمی یک ساعت فوق دقیق است که از ارتعاشات اتمی برای اندازه‌گیری زمان استفاده می‌کند. این ساعت در ماهواره‌های GPS مستقر می‌شود زیرا زمان دقیقی را برای تعیین موقعیت یک دستگاه فراهم می‌کند.

لیزر حفره نوری، از سوی دیگر، نوعی لیزر است که در آن نور به دام می‌افتد و بین دو آینه بسیار بازتابنده به عقب و جلو می‌رود. این تنظیمات که حفره نوری نامیده می‌شود، به تثبیت فرکانس لیزر کمک می‌کند و آن را بسیار دقیق می‌سازد. آنها در شبکه‌های فیبر نوری پرسرعت استفاده می‌شوند.

مطالعه اخیر توسط محققان نشان می‌دهد که ساعت‌های اتمی و لیزرها می‌توانند مانند حسگرها عمل کنند و تغییرات کوچک در ثابت‌های بنیادی، مانند جرم الکترون، را تشخیص دهند. اعتقاد بر این است که چنین تغییراتی توسط یک میدان ماده تاریک نوسانی ایجاد می‌شود.

اشلی کادل، یکی از نویسندگان این مطالعه و دانشجوی دکترا در دانشگاه کوئینزلند (UQ) گفت:

ماده تاریک در این مورد مانند یک موج عمل می‌کند، زیرا جرم آن بسیار بسیار کم است.

شناسایی ماده تاریک با استفاده از حسگرهای دور

بسیاری از روش‌های تشخیص ماده تاریک فعلی از حسگرهای قرار داده شده در یک مکان استفاده می‌کنند. در چنین تنظیماتی، حسگرها فاز یکسانی از موج ماده تاریک را تجربه کرده و تشخیص سایر بخش‌های موج را دشوار می‌سازد.

علاوه بر این، اگر موج به صورت متقارن با دو حسگر برهمکنش داشته باشد، اثرات آن ممکن است در برخی اندازه‌گیری‌ها خنثی شود. برای غلبه بر این چالش، محققان از حسگرهای جداشده توسط فاصله زیاد استفاده کردند.

کادل گفت:

با مقایسه اندازه‌گیری‌های دقیق در فواصل زیاد، ما اثرات ظریف میدان‌های ماده تاریک نوسانی را شناسایی کردیم که در تنظیمات معمولی خود به خود خنثی می‌شوند.

این تیم دو مجموعه داده را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. ابتدا، دانشمندان نوسانات در نسبت فرکانس بین دو لیزر حفره نوری متصل به یک پیوند فیبری به طول 1380 مایل (2220 کیلومتر) را بررسی کردند. این اندازه‌گیری‌ها به شناسایی نوسانات فضایی در میدان ماده تاریک کمک کرد.

در مرحله بعد، محققان داده‌های زمان‌بندی ساعت‌های اتمی مایکروویو در ماهواره‌های GPS را بررسی کردند که به آنها اجازه داد نوسانات زمانی در میدان ماده تاریک را تشخیص دهند.

تعیین محدودیت برای جفت شدن الکترون-ماده تاریک

با بررسی نسبت‌های فرکانس از لیزرها و ساعت‌های اتمی، آنها نوسانات با دوره‌های بین دو تا 105 ثانیه را جستجو کردند که مربوط به جرم ذرات ماده تاریک بین ^۱۹–۱۰ تا ۲ در ^۱۵–۱۰ الکترون ولت بود.

این امر به آنها اجازه داد تا اولین محدودیت‌ها را برای تغییرات جرم الکترون ناشی از ماده تاریک فوق سبک در فرکانس‌های زیر 1 هرتز تعیین کنند. این مطالعه اولین مطالعه‌ای است که محدودیت‌هایی را برای چنین تغییراتی تعیین می‌کند.

هیچ آزمایش قبلی مستقیماً بررسی نکرده بود که آیا ماده تاریک می‌تواند باعث نوسان در جرم الکترون در فرکانس‌های زیر 1 هرتز شود یا خیر. بنابراین اساساً این یافته‌ها محدوده‌ای را تعریف می‌کنند که در آن چنین اثراتی یا خیلی کوچک هستند که قابل تشخیص نیستند یا وجود ندارند.

علاوه بر این، نتایج نشان می‌دهد که چگونه امواج ماده تاریک ممکن است با ماده معمولی (الکترون‌ها) برهمکنش داشته باشند. کادل افزود:

به طرز هیجان‌انگیزی، ما توانستیم سیگنال‌هایی را از مدل‌های ماده تاریک که به طور جهانی با همه اتم‌ها برهمکنش دارند، جستجو کنیم، چیزی که از آزمایش‌های سنتی گریخته است.

بنجامین رابرتز، یکی از نویسندگان این مطالعه و فیزیکدان UQ، گفت:

با استفاده از این رویکرد، دانشمندان اکنون قادر خواهند بود طیف وسیع‌تری از سناریوهای ماده تاریک را بررسی کنند و شاید به برخی از سؤالات اساسی در مورد ساختار جهان پاسخ دهند.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

منبع: Interestingengineering