A existaªncia de matéria escura éindiretamente evidente a partir de efeitos gravitacionais em escalas gala¡cticas e cosmola³gicas, mas além disso, pouco se sabe sobre sua natureza.
Matanãria escura e gás na simulação Crédito: Colaboração Illustris. Rela³gios a³pticos e cavidades de silacio cristalino aprimoradas podem melhorar as restrições sobre as possaveis interações de matéria escura e campos epartículas no modelo padra£o.
Os rela³gios a³pticos são tão precisos que levaria cerca de 20 bilhaµes de anos - mais do que a idade do universo - para perder ou ganhar um segundo. Agora, pesquisadores nos Estados Unidos liderados pelo grupo de Jun Ye no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e na Universidade do Colorado exploraram a precisão e exatida£o de seus rela³gios a³pticos e a estabilidade sem precedentes de sua cavidade a³ptica de silacio cristalino para restringir qualquer possível acoplamento entrepartículas e campos no modelo padrãoda física e os atéagora elusivos componentes da matéria escura.
A existaªncia de matéria escura éindiretamente evidente a partir de efeitos gravitacionais em escalas gala¡cticas e cosmola³gicas, mas além disso, pouco se sabe sobre sua natureza. Um dos efeitos que surgem da análise tea³rica do acoplamento da matéria escura a spartículas no modelo padrãoda física éuma oscilação resultante nas constantes fundamentais . Ye e colaboradores perceberam que se seu equipamento de metrologia de classe mundial não pudesse detectar essas oscilações, então esse resultado aparentemente nulo seria uma confirmação útil de que a força das interações da matéria escura com aspartículas no modelo padrãoda física deve ser ainda menor do que o ditado pelo restrições atéagora registradas.
Cronometrando valores constantes fundamentais
As tentativas anteriores de localizar evidaªncias diretas de matéria escura variam de experimentos de laboratório a grandes projetos de colisor departículas, como os do Large Hadron Collider (LHC). Muitos desses esforços buscaram interações com, por exemplo,partículas massivas de interação fraca (WIMPs), que tem massas semelhantes a um a¡tomo de prata na faixa de 100 GeV, ou axions - uma partacula hipotanãtica destinada a explicar elementos da física departículas, e que pode se encaixar com as teorias da matéria escura. No entanto, Ye e seus colaboradores usaram seu rela³gio a³ptico e dispositivos de cavidade para identificar possaveis interações entre a matéria escura e aspartículas na extremidade inferior do espectro de massa muito abaixo de 1 eV, que é500.000 vezes menor do que a massa de um elanãtron em repouso .
Os rela³gios a³pticos são um tipo de rela³gio ata´mico. Os primeiros rela³gios ata´micos exploraram transições hiperfinas em a¡tomos de canãsio 133 - quando os elanãtrons no a¡tomo de canãsio 133 giram, a mudança resultante na energia do estado do a¡tomo éemitida como radiação eletromagnanãtica com uma frequência característica na faixa de microondas. No entanto, as transições entre orbitais de elanãtrons em a¡tomos de estra´ncio levam amudanças de energia com uma frequência correspondente muito mais alta na faixa a³ptica, e agora que a tecnologia foi desenvolvida para medir essas transições, épossível manter o tempo com precisão ainda maior. Além disso, a frequência dos rela³gios a³pticos estãodiretamente relacionada a certas constantes fundamentais, fornecendo uma rota para medir as variações potenciais dessas grandezas com precisão sem precedentes.
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Ye e colaboradores usaram seu rela³gio a³ptico para pesquisar quaisquer variações na constante fundamental α, a constante de estrutura fina, que define a força das interações entre aspartículas carregadas e os fa³tons. Para esse fim, eles compararam a frequência dos a¡tomos de estra´ncio usados ​​no rela³gio a³ptico com sua cavidade de silacio cristalino, um dispositivo usado em lasers que permite que ondas eletromagnanãticas ricocheteiem entresuperfÍcies refletoras opostas e criem uma onda estaciona¡ria com uma frequência característica determinada pelo comprimento da cavidade. A frequência de ambos os dispositivos édefinida em termos de α e m e (outra constante fundamental que da¡ a massa do elanãtron) mas com dependaªncias diferentes, de forma que a razãoentre as duas frequências revela quaisquer variações na constante α.
"A ideia de usar uma frequência de ressonância de cavidade a³ptica para comparar com uma frequência atômica foi proposta pela primeira vez em uma troca de e-mail entre mim e o Prof. Victor Flambaum", disse Ye a phys.org, relembrando sua troca por volta de 2015. Enquanto Flambaum escreveu muito rapidamente um documento descrevendo as idanãias ba¡sicas que discutiram, Ye diz que ele "queria ver os resultados experimentais. E aqui estamos."
"As pessoas usaram rela³gios ata´micos em frequências de microondas para restringir os limites das forças de acoplamento da matéria escura, mas este trabalho representaria os primeiros resultados sobre o uso de rela³gios ata´micos a³pticos para fornecer restrições na assinatura oscilata³ria da matéria escura", disse Ye.
Além de comparar a frequência da cavidade com os a¡tomos do rela³gio, os pesquisadores a compararam com a frequência de um maser de hidrogaªnio - um padrãode frequência de microondas que gera radiação com base em transições entre diferentes estados de spin eletra´nico e nuclear no a¡tomo de hidrogaªnio. Embora o maser de hidrogaªnio não fornea§a tempo de manutenção tão preciso quanto o rela³gio a³ptico baseado em estra´ncio, as transições de energia que ele se baseia levam a uma relação diferente entre a frequência e as constantes α e m e, de modo que a razãode sua frequência com aquela da cavidade de silacio cristalino fornece uma sonda para variações no valor de m e , também. Enquanto as oscilações no valor de α indicariam interações entre a matéria escura e os campos eletromagnanãticos, oscilações em m e revelaria interações com a massa do elanãtron.
As relações de frequência medidas entre a cavidade e o rela³gio a³ptico e o maser de hidrogaªnio também contam com outra vantagem crucial - a estabilidade da cavidade de silacio cristalino. “A maioria das cavidades éfeita de vidro, que éum sãolido desordenado e amorfo com muita deriva dimensional e instabilidadeâ€, explica Colin Kennedy, pesquisador do grupo de Ye e primeiro autor do relatório desses resultados, destacando a vantagem de usar um cavidade composta por um aºnico cristal grande de silacio. "Esta nova geração de cavidades éfeita de monocristais de silacio e também são mantidas em temperaturas criogaªnicas, tornando-as ordens de magnitude mais esta¡veis. Esta éa principal vantagem do nosso trabalho."
Aproximando-se da matéria escura
Embora (como esperado) os pesquisadores não tenham observado oscilações nas constantes fundamentais devido a s interações com a matéria escura, seus dados estreitaram a gama de valores possaveis que os parametros dessa interação poderiam ter. Parapartículas de matéria escura com massas na faixa de 4,5 a— 10 −16 até1 a— 10 −19 eV, a possível força das interações de matéria escura definida por α érestringida por um fator adicional de atécinco por esses resultados, e aqueles definido por m e são restringidas por tanto como um fator de 100 para massas entre 2 a— 10 -19 e 2 a— 10 -21 eV.
"A ideia de usar uma frequência de ressonância de cavidade a³ptica para comparar com uma frequência atômica foi proposta pela primeira vez em uma troca de e-mail entre mim e o Prof. Victor Flambaum", disse Ye a phys.org, relembrando sua troca por volta de 2015. Enquanto Flambaum escreveu muito rapidamente um documento descrevendo as idanãias ba¡sicas que discutiram, Ye diz que ele "queria ver os resultados experimentais. E aqui estamos."