Система зафиксировала орбитальный переход, ранее никогда не использовавшийся в атомной хронометрии.
Физики разработали высокоточные и сверхчувствительные атомные часы на основе иттербия, которые могут проверить пределы Стандартной модели и даже помочь в поисках неуловимой темной материи.
Проект, возглавляемый Тайки Исиямой, доктором философии, физиком из Высшей школы естественных наук Киотского университета в Японии, использовал редкий орбитальный переход в атомах, который долгое время считался перспективным, но слишком сложным для высокоточной оценки.
Команда считает, что их подход позволит провести одни из самых строгих проверок предсказаний, сделанных в рамках Стандартной модели, которая объясняет три из четырех фундаментальных сил, управляющих Вселенной: электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.
«Эти результаты открывают путь для различных новых экспериментов по поиску закономерностей в физике и широкого спектра применений этого тактового перехода в квантовой науке», — отметили исследователи.
Редкий атомный переход
Атомные часы отсчитывают время, измеряя, как электроны перескакивают между двумя определенными энергетическими уровнями внутри атомов, чаще всего это цезий-133, который действует как очень стабильный природный маятник.
Эти переходы происходят на чрезвычайно стабильных частотах, что делает атомные часы самыми точными из когда-либо созданных хронометров. Самые точные атомные часы захватывают атомы в оптическую решетку — узор из света и тени, образуемый пересекающимися лазерами.
Они работают на оптических частотах с сотнями триллионов колебаний в секунду. Некоторые, как, например, стронциевые оптические решетчатые часы, настолько точны, что их точность может снизиться менее чем на секунду за примерно 30 миллиардов лет.
Однако исследователи давно подозревали, что могут достичь еще большей чувствительности, используя редкий тип орбитального перехода в атомах иттербия. Он происходит между конфигурациями, включающими электрон внутренней оболочки, расположенный глубоко внутри атома.
Тем не менее, по словам исследователей, его можно измерять и контролировать с той же точностью, что и обычные тактовые переходы. Он также обладает высокой чувствительностью, что позволяет ему улавливать тонкие физические явления, такие как признаки темной материи или других неизвестных частиц.
Хотя теоретически этот переход идеально подходит для исследования недостатков Стандартной модели, на практике достижение необходимой точности остается сложной задачей. «Хотя наша команда впервые наблюдала этот переход в 2023 году, и другие группы последовали ее примеру, разрешение измерений было намного хуже, чем у современных оптических часов», — сказал Исияма.
В погоне за темной материей
Первые эксперименты команды страдали от низкой точности измерений, в основном из-за помех от тех самых лазеров, которые использовались для захвата атомов. Для решения этой проблемы они обратились к методу, называемому «магической длиной волны», который захватывал атомы иттербия в трехмерную оптическую решетку.
Таким образом, им удалось устранить нежелательные сдвиги энергетических уровней атомов, вызванные улавливающим светом. «Сочетая это с высокостабилизированным возбуждающим лазером, мы добились узкой спектральной ширины линии в 80 Гц, что примерно на два порядка лучше, чем предыдущие результаты», — продолжил Исияма.
Команда приблизила точность системы к точности современных оптических часов. Такой уровень контроля позволил им провести ряд высокоточных измерений, включая наблюдение когерентных колебаний между атомными состояниями и обнаружение межорбитального резонанса Фешбаха.
Более того, команда провела измерения изотопного сдвига и отследила, как изменяется частота переходов между различными формами атомов иттербия. Эти сдвиги были измерены с точностью до одной миллиардной части.
«Это мощный инструмент для поиска нового бозона, опосредующего взаимодействия между электронами и нейтронами за пределами Стандартной модели», — отметил Исияма. В исследовании были установлены строгие ограничения на эти возможные эффекты при определенных допущениях и улучшенных моделях поведения атомов и ядер.
Это также показало, что теперь можно очень точно контролировать переходы между внутренними оболочками. «Кроме того, наша работа открывает путь к созданию оптических решеточных часов, сочетающих высокую точность измерений и высокую чувствительность к новым физическим явлениям», — заключил Исияма.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.
Sourse: interestingengineering.com
