Ядерные часы: тиканье ядра для поиска тёмной материи экспресс
Самые точные современные часы отсчитывают время по колебаниям электронов в атомах. Но их ход можно сбить — как пружину в механических часах сбивает тряска. Физики нашли маятник понадёжнее: атомное ядро. Они взяли ядро тория-229, поместили в кристалл и заставили колебаться, подсвечивая лазером строго определённой частоты. Эта техника называется спектроскопия — по сути, поиск верного ритма, чтобы маятник «раскачался». И ядро откликнулось: оно колеблется 2000 триллионов раз в секунду — в миллион раз быстрее кварца в смартфоне.
Точность поражает: за сутки ошибка составляет одну миллиардную миллиардной доли секунды. Такие часы ошиблись бы на секунду лишь за 30 миллиардов лет. Но главное — этот маятник чрезвычайно чувствителен к любому «дуновению» извне, например, к пролетающим частицам тёмной материи. Учёные искали её следы — периодические толчки или плавный уход частоты. Ничего не нашли, но и это результат: теперь мы знаем, насколько слабо тёмная материя может взаимодействовать с обычными атомными ядрами.
В будущем точность таких твердотельных часов вырастет многократно. Они проверят, постоянны ли фундаментальные константы стандартной модели, и, возможно, заметят, что время на разной высоте течёт по-разному — согласно теории Эйнштейна. А пока их главная задача — уловить «тень» тёмной материи.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2606.04997
The laser-accessible nuclear transition in the thorium-229 isotope has been identified as a promising candidate for the realization of an optical nuclear clock. Such a nuclear clock might rival or outperform current optical clocks based on electron-shell transitions in atoms or ions, is expected to be more robust against external perturbations, and provides enhanced sensitivity in clock-based tests of fundamental principles of physics. Here, we implement a thorium-229 nuclear clock by stabilizing a continuous-wave laser to the 148 nm nuclear transition with rapid feedback based on continuous absorption spectroscopy. The thorium-229 nuclei are embedded into a millimeter-sized, room temperature calcium fluoride crystal. A subharmonic of the 148 nm radiation is continuously compared to a Yb+ single-ion clock. The nuclear clock shows a simple shot-noise limited scaling of the fractional frequency instability of $$3\cdot 10^{-12} \sqrt{\tau/\text{s}}$$ where $$\tau$$ is the averaging time, approaching $$10^{-15}$$ instabilities over 1 day of continuous operation. Improvements of the instability by several orders of magnitude can be projected for future solid-state nuclear clocks. We use the nuclear clock to constrain models of ultralight dark matter by searching for periodic fluctuations and slow drifts in the nuclear transition energy, on time scales between 20 s and 1 day. Drawing benefit from the enhanced sensitivity of the thorium-229 transition, these constraints compete with the best atomic clocks concerning dark matter coupling to photons and go beyond previous measurements regarding coupling to the strong force and quarks.
Переход в ядре тория-229 — единственный во Вселенной, который можно «поймать» лазером сегодняшней технологии. Именно поэтому его выбрали для первых ядерных часов.