На сайте Phys.org размещена интересная публикация "Investigating dark matter interactions using optical atomic clocks".

Может ли темная материя взаимодействовать с фотонами и влиять на структуру атома? Два разных типа оптических атомных таких часов были сравнены в Немецком Физико-техническом федеральном институте (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). На сегодняшний день это самый точный поиск взаимодействия сверхлегкой темной материи с фотонами. Существующие пределы обнаружения возможной связи были улучшены более чем на порядок благодаря этой работе — в широком диапазоне масс частиц темной материи. Хотя никаких доказательств связи темной материи найдено не было, эта работа приближает нас к пониманию природы и потенциальных взаимодействий темной материи.

Астрономические наблюдения указывают на существование так называемой «темной материи», которая составляет более 80% всей материи и, насколько известно, взаимодействует с обычной видимой материей только посредством гравитации. До сих пор не установлено никаких доказательств взаимодействия с фотонами — отсюда и термин «темный» для этого типа материи. Остается большой загадкой, из чего состоит темная материя и существуют ли до сих пор неизвестные взаимодействия с обычной материей.

Многообещающий теоретический подход предполагает, что темная материя может состоять из очень легких частиц, которые ведут себя скорее как волны, чем как отдельные частицы: так называемая «сверхлегкая» темная материя. В этом случае не обнаруженные ранее слабые взаимодействия темной материи с фотонами привели бы к мизерным колебаниям постоянной тонкой структуры.

Постоянная тонкой структуры — это естественная константа, описывающая силу электромагнитного взаимодействия. Она определяет шкалы атомной энергии и, таким образом, влияет на частоты переходов, которые используются в качестве эталонов в атомных часах. Поскольку разные переходы в разной степени чувствительны к возможным изменениям константы, сравнение атомных часов можно использовать для поиска сверхлегкой темной материи. Для этой цели исследователи использовали атомные часы.

Особенно чувствительные атомные часы сравнивались с двумя другими атомными часами с более низкой чувствительностью в многомесячных измерениях. Полученные данные измерений были исследованы на наличие колебаний, характерных для сверхлегкой темной материи. Поскольку значительных колебаний обнаружено не было, темная материя оставалась «темной» даже при ближайшем рассмотрении. Таким образом, обнаружение таинственной темной материи не было достигнуто. Отсутствие сигнала позволило определить новые экспериментальные верхние пределы силы возможной связи сверхлегкого вещества с фотонами. Предыдущие пределы были улучшены более чем на порядок в широком диапазоне.

В то же время исследователи также изучили, может ли постоянная тонкой структуры меняться со временем, например, очень медленно увеличиваться или уменьшаться. Такой вариации в данных не обнаружено. Здесь также были ужесточены существующие ограничения, указывающие на то, что константа остается неизменной даже в течение длительных периодов времени.

В отличие от предыдущих сравнений часов, где для каждых атомных часов требовалась собственная экспериментальная система, в этой работе двое из трех атомных часов были реализованы в одной экспериментальной установке. Для этого использовались две разные частоты перехода одного захваченного иона: Ион опрашивался поочередно на обоих оптических переходах. Это важный шаг к тому, чтобы сделать сравнения оптических частот еще более компактными и надежными, например, для будущего поиска темной материи в космосе.

Ссылка на статью в свободном доступе: M. Filzinger et al. Improved limits on the coupling of ultralight bosonic dark matter to photons from optical atomic clock comparisons, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.253001