La metrologia di precisione e la materia oscura

Gli orologi ottici hanno una precisione così grande che dovrebbero trascorrere 20 miliardi di anni affinché perdano o guadagnino un secondo, considerando che l’Universo ha un’età nettamente inferiore: solo, si fa per dire, 13,7 miliardi di anni.
Un gruppo di ricercatori guidati dal gruppo di Jun Ye presso il National Institute of Standards and Technology e l’Università del Colorado, hanno sfruttato la precisione e l’accuratezza del loro orologio ottico e la stabilità senza precedenti della loro cavità ottica in silicio cristallino per rafforzare i vincoli su qualsiasi possibile accoppiamento tra particelle e campi nel modello standard della fisica e le elusive particelle che compongono la materia oscura.
Sappiamo dell’esistenza della materia oscura in maniera indiretta. Questa forma di materia, non interagisce con i fotoni ma ha effetti gravitazionali sulla materia che compone l’universo osservabile. I suoi effetti sono assolutamente rilevabili su scala galattica e cosmologica, ma oltre a ciò, poco si sa della sua natura e gli scienziati si arrovellano cercando di creare esperimenti per rilevarla. Uno degli effetti che cade dall’analisi teorica dell’accoppiamento della materia oscura alle particelle nel modello standard della fisica è l’oscillazione risultante nelle costanti fondamentali. Se la migliore attrezzatura metrologica non fosse in grado di rilevare queste oscillazioni, allora questo risultato apparentemente nullo sarebbe un’utile conferma che la forza delle interazioni tra la materia oscura e le particelle del modello standard della fisica deve essere persino inferiore a quella dettata dai vincoli finora registrati.
Gli esperimenti per trovare prove dell’esistenza della materia oscura sono stati tentati sia con macchine enormi come il Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra, sia in esperimenti di laboratorio che hanno cercato di registrare le collisioni tra le particelle di materia oscura con la materia normale. Questi esperimenti hanno dato la caccia a particelle massicce debolmente interagenti (WIMP), che hanno masse paragonabili a un atomo d’argento nella gamma di 100 GeV, o agli assioni, una ipotetica particella che dovrebbe spiegare elementi della fisica delle particelle, e che potrebbe adattarsi alle teorie della materia oscura.
Ye e i suoi collaboratori hanno utilizzato il loro orologio ottico ei dispositivi a cavità per individuare possibili interazioni tra materia oscura e le particelle della materia normale all’estremità inferiore dello spettro di massa molto al di sotto di 1 eV, che è 500.000 volte più piccola della massa di un elettrone a riposo.
Gli orologi atomici ottici sono attualmente i sensori per la misurazione del tempo più accurati e precisi mai realizzati. I campi di applicazione sono molteplici: test di precisione di fisica fondamentale, geodesia cronometrica, standard di frequenza per la navigazione e osservazione di radio sorgenti con interferometria a linea di base lunga. I primi orologi atomici sfruttavano transizioni iper fine negli atomi di cesio 133: quando gli elettroni nell’atomo di cesio 133 ruotano, il cambiamento risultante nell’energia dello stato dell’atomo viene emesso come radiazione elettromagnetica con una frequenza caratteristica nella gamma delle microonde.
Oggi gli orologi atomici si basano sul raffreddamento laser di atomi di stronzio. Lo strumento è composto da una sorgente compatta di stronzio ultra-raffreddata , le transizioni tra gli orbitali degli elettroni negli atomi di stronzio portano a cambiamenti di energia con una frequenza corrispondente molto più alta nel campo ottico, e ora che la tecnologia è stata sviluppata per misurare queste transizioni, è possibile mantenere il tempo con una precisione ancora maggiore. Inoltre, la frequenza degli orologi ottici è direttamente correlata a determinate costanti fondamentali, fornendo un percorso per misurare le potenziali variazioni di queste grandezze con una precisione mai vista prima.
Ye e il suo team hanno fatto ricorso al loro orologio ottico per cercare eventuali variazioni nella costante fondamentale α, la costante di struttura fine, che definisce la forza delle interazioni tra particelle cariche e fotoni. Per scoprirlo, hanno confrontato la frequenza degli atomi di stronzio utilizzati nell’orologio ottico con la loro cavità di silicio cristallino, un dispositivo utilizzato nei laser che consente alle onde elettromagnetiche di rimbalzare tra superfici riflettenti opposte e creare un’onda stazionaria con una frequenza caratteristica determinata dalla lunghezza della cavità. La frequenza di entrambi i dispositivi è definita in termini sia di α che di m e (altra costante fondamentale che dà la massa dell’elettrone) ma con dipendenze diverse, così che il rapporto tra le due frequenze rivela eventuali variazioni della costante α.
“Le persone hanno utilizzato orologi atomici alle frequenze delle microonde per attenuare i limiti delle forze di accoppiamento della materia oscura, ma questo lavoro rappresenterebbe i primi risultati sull’uso di orologi atomici ottici per fornire vincoli sulla firma oscillatoria della materia oscura“, afferma Ye.
Oltre a confrontare la frequenza della cavità con gli atomi dell’orologio, i ricercatori l’hanno confrontata con la frequenza di un maser di idrogeno, uno standard di frequenza delle microonde che genera radiazioni in base alle transizioni tra diversi stati di spin elettronico e nucleare nell’atomo di idrogeno. Sebbene il maser a idrogeno non fornisca un controllo del tempo preciso come l’orologio ottico a base di stronzio, le transizioni di energia su cui si basa portano a una relazione diversa tra la frequenza e le costanti α e m e, in modo tale che il rapporto della sua frequenza con quella della cavità di silicio cristallino prevede una sonda per variazioni del valore di m e. Mentre le oscillazioni del valore di α indicherebbero interazioni tra materia oscura e campi elettromagnetici, le oscillazioni in m e rivelerebbe interazioni con la massa dell’elettrone.
I rapporti di frequenza misurati tra la cavità, l’orologio ottico e il maser a idrogeno traggono anche un altro vantaggio cruciale: la stabilità della cavità di silicio cristallino. “La maggior parte delle cavità sono fatte di vetro che è un solido disordinato e amorfo che ha molta deriva dimensionale e instabilità”, spiega Colin Kennedy, un ricercatore del gruppo di Ye e primo autore nella relazione di questi risultati, evidenziando il vantaggio di utilizzare un cavità costituita da un unico grande cristallo di silicio. “Questa nuova generazione di cavità sono costituite da singoli cristalli di silicio e sono anche mantenute a temperature criogeniche, il che le rende più stabili di ordini di grandezza. Questo è il vantaggio chiave del nostro lavoro”.
Sebbene i ricercatori non abbiano osservato oscillazioni nelle costanti fondamentali dovute alle interazioni con la materia oscura, i dati hanno ristretto la gamma di possibili valori che i parametri di questa interazione potrebbero mostrare. Per le particelle di materia oscura con masse nell’intervallo da 4,5 × 10 −16 fino a 1 × 10 −19 eV, la possibile forza delle interazioni della materia oscura definita da α è limitata da un ulteriore fattore fino a cinque da questi risultati, e quelli definiti da m e sono vincolati fino a un fattore 100 per masse comprese tra 2 × 10 −19 e 2 × 10 −21 eV.
“L’idea di utilizzare una frequenza di risonanza della cavità ottica per confrontare con una frequenza atomica è stata proposta per la prima volta in uno scambio di e-mail tra me e il Prof. Victor Flambaum”, dice Ye a phys.org, ricordando il loro scambio intorno al 2015. Mentre Flambaum ha scritto molto rapidamente un documento che descrive le idee di base di cui hanno discusso, Ye dice che “voleva vedere i risultati sperimentali. Ed eccoci qui”.
Fonte: https://phys.org/news/2020-10-precision-metrology-dark.html