Un orologio atomico all’avanguardia ha aiutato nella ricerca della materia oscura

I ricercatori JILA hanno utilizzato un orologio atomico all’avanguardia per restringere la ricerca della materia oscura, un esempio di come i continui miglioramenti negli orologi abbiano valore oltre il cronometraggio. I vecchi orologi atomici operanti alle frequenze delle microonde hanno già cercato la materia oscura, ma questa è la prima volta che un orologio più nuovo, funzionante a frequenze ottiche più elevate e un oscillatore ultra stabile, sono stati sfruttati per impostare limiti più precisi sulla ricerca. La ricerca è descritta in Physical Review Letters.

Le osservazioni astrofisiche mostrano che la materia oscura costituisce la maggior parte delle “cose” nell’universo, ma finora è sfuggita alla cattura. I ricercatori di tutto il mondo l’hanno cercato in varie forme. Il team JILA si è concentrato sulla materia oscura ultraleggera, che in teoria ha una massa minuscola (molto meno di un singolo elettrone) e una lunghezza d’onda gigantesca che potrebbe essere grande quanto la dimensione delle galassie nane. Questo tipo di materia oscura sarebbe legato dalla gravità alle galassie e quindi alla materia ordinaria.

Ci si aspetta che la materia oscura ultraleggera crei minuscole fluttuazioni in due “costanti” fisiche fondamentali: la massa dell’elettrone e la costante di struttura fine. Il team JILA ha utilizzato un orologio a reticolo di stronzio e un maser a idrogeno (una versione a microonde di un laser) per confrontare le loro ben note frequenze ottiche e microonde, rispettivamente, con la frequenza della luce che risuona in una cavità ultra stabile composta da un singolo cristallo di silicio puro.

I rapporti di frequenza risultanti sono sensibili alle variazioni nel tempo in entrambe le costanti. Le fluttuazioni relative dei rapporti e delle costanti possono essere utilizzate come sensori per collegare modelli cosmologici di materia oscura a teorie fisiche accettate. Il team JILA ha stabilito nuovi limiti su un piano per le fluttuazioni “normali”, oltre i quali qualsiasi segnale insolito scoperto in seguito potrebbe essere dovuto alla materia oscura. I ricercatori hanno limitato la forza di accoppiamento della materia oscura ultraleggera alla massa dell’elettrone e alla costante di struttura fine in modo che fosse dell’ordine di 10 -5 o meno, la misurazione più precisa di questo valore.

Sempre più vicini alla materia oscura

JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall’Università del Colorado Boulder. Gli scienziati non sono sicuri se la materia oscura sia costituita da particelle o campi oscillanti che influenzano gli ambienti locali. Gli esperimenti JILA hanno lo scopo di rilevare l’effetto di “attrazione” della materia oscura sulla materia ordinaria e sui campi elettromagnetici.

I ricercatori hanno raccolto dati sul rapporto di frequenza stronzio/cavità per 12 giorni con l’orologio in funzione per il 30% del tempo, ottenendo un set di dati di 978.041 secondi. I dati del maser a idrogeno sono durati 33 giorni con il maser in funzione per il 94% del tempo, con un record di 2.826.942 secondi. Il rapporto idrogeno/frequenza della cavità forniva un’utile sensibilità alla massa dell’elettrone sebbene il maser fosse meno stabile e producesse segnali più rumorosi dell’orologio allo stronzio.

I ricercatori JILA hanno raccolto i dati di ricerca della materia oscura durante la loro recente dimostrazione di una scala temporale migliorata, un sistema che incorpora i dati di più orologi atomici per produrre un singolo segnale di cronometraggio altamente accurato per la distribuzione. Man mano che le prestazioni degli orologi atomici, delle cavità ottiche e delle scale temporali migliorano in futuro, i rapporti di frequenza possono essere riesaminati con una risoluzione sempre più elevata, estendendo ulteriormente la portata delle ricerche sulla materia oscura.

Ph. Credit: National Institute of Standards and Technology (NIST)