Атомные часы стали чувствительнее в 100 раз — и взялись за темную материю. Охота на новую физику началась

Атомные часы давно стали не только эталоном времени, но и инструментом, с помощью которого физики проверяют устройство мира почти на пределе доступной точности. Теперь международная группа исследователей впервые использовала редкий орбитальный переход в атомах иттербия и построила на его основе новый тип часов, который сочетает высокую точность с повышенной чувствительностью к тонким физическим эффектам.

Принцип работы атомных часов давно известен. Электрон в атоме переводят на более высокий энергетический уровень, а затем измеряют частоту перехода между двумя состояниями. Поскольку такие колебания почти не меняются, атомные часы остаются самыми точными приборами для измерения времени. Самые совершенные современные системы используют атомы, удерживаемые в оптической решетке, то есть в периодической структуре из светлых и темных областей, которую создают пересекающиеся лазерные лучи. Такие часы работают на оптических частотах, где счет идет на сотни триллионов колебаний в секунду. По точности они давно обошли старые схемы, работавшие в микроволновом диапазоне.

Именно такая точность позволила использовать атомные часы не только для хронометрии, но и для фундаментальной физики. По ним проверяют, насколько точно работают известные законы, не меняются ли со временем фундаментальные константы и не скрываются ли в данных слабые отклонения от Стандартной модели. Еще в 2018 году теоретики предложили пойти дальше и использовать для этого необычный переход в атомах иттербия. Речь идет о переходе между конфигурациями, в которых участвует электрон внутренней оболочки, находящийся глубоко внутри атома. С одной стороны, такой переход трудно приручить экспериментально. С другой, именно он должен сильнее реагировать на эффекты, которые физики особенно хотят уловить, включая возможные следы темной материи.

Команда Таики Исиямы впервые увидела такой переход в 2023 году, позже похожие результаты получили и другие группы. Но разрешение измерений оставалось намного хуже, чем у современных оптических часов. Главная проблема скрывалась в самой оптической решетке. Лазерный свет, который удерживает атомы, одновременно сдвигает их энергетические уровни. Из-за этого измеряемая частота смещается, а спектральная линия получается слишком широкой. Для часов, где важна почти ювелирная точность, размытость становится серьезным ограничением.

Исследователи обошли проблему с помощью так называемой магической длины волны. Так в атомной физике называют специальную настройку лазера, при которой свет продолжает удерживать атомы, но почти не вносит паразитный сдвиг в частоту перехода. Команда поместила атомы иттербия в трехмерную оптическую решетку, настроенную именно на такую длину волны, а затем добавила сильно стабилизированный возбуждающий лазер. В результате удалось сузить спектральную линию до 80 герц. По сравнению с предыдущими опытами улучшение составило примерно два порядка.

Более узкая линия резко повысила четкость измерений и приблизила новый переход по качеству к лучшим современным оптическим часам. На одной демонстрации работа не остановилась. Получив более жесткий контроль над системой, физики исследовали еще несколько важных свойств. В частности, они наблюдали когерентные колебания между основным и возбужденным состояниями под действием стабильного лазера. Кроме того, команда зафиксировала межорбитальный резонанс Фешбаха. В такой ситуации два сталкивающихся атома на короткое время связываются в нестойкое составное состояние. Для экспериментальной атомной физики это важный признак того, что системой действительно удается управлять очень тонко.

Ещё одна важная проверка - измерения изотопического сдвига. Здесь исследователи смотрели, как меняется частота перехода, если заменить один стабильный изотоп иттербия на другой. Такие измерения нужны не только ради точности. Они позволяют искать крайне слабые отклонения в поведении атома, которые могут намекнуть на новые частицы или новые взаимодействия. В этой работе изотопические сдвиги удалось измерить с точностью до одной миллиардной доли.

Именно здесь новый подход особенно интересен для поиска физики за пределами Стандартной модели. По словам авторов, метод может помочь в поиске нового бозона, который связывал бы электроны и нейтроны через взаимодействие, не описанное нынешней теорией. На основе полученных данных исследователи уже смогли наложить более жесткие ограничения на такие гипотетические эффекты при ряде допущений. Параллельно результаты дают полезную опору и для теоретических моделей атомного ядра, поскольку столь точные спектроскопические данные помогают лучше проверять расчеты ядерной структуры.

Итак, теперь мы знаем, что внутренний электронный переход в иттербии можно превратить из любопытного теоретического объекта в рабочий инструмент высокоточной физики. Если технологию удастся еще доработать, на ее основе может появиться новое поколение оптических часов. Такие приборы будут не только чрезвычайно точно отсчитывать время, но и работать как чувствительные датчики для проверки самых глубоких представлений о том, как устроена Вселенная.