اسراری که با تیک تاک ساعت اتمی آشکار می‌شوند

این ذرات می‌توانند به ماده تاریک متصل شوند. ماده تاریک، ماده اسرارآمیزی است که تخمین زده می‌شود ۸۵ درصد از کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد اما عملا برای ما نامرئی باقی می‌ماند زیرا با نور یا به طور دقیق‌تر، با تابش الکترومغناطیسی تعامل ندارد. دانشمندان بر این باورند که بیشتر کهکشان‌ها توسط ابری از ماده تاریک احاطه شده‌اند اما حضور آن را تنها می‌توان با تأثیری که بر گرانش می‌گذارد، درک کرد.

«خاویر کالمت»(Xavier Calmet) استاد فیزیک دانشگاه ساسکس و سرپرست این پژوهش گفت: جهان ما به آن صورتی که می‌شناسیم، با قوانین فیزیک اداره می‌شود. بنابراین، گرانش تحت کنترل نسبیت عام و فیزیک ذرات تحت کنترل مدل استاندارد فیزیک ذرات قرار دارند. ما انحراف از این قوانین را شکست در فیزیک می‌نامیم. این اساسا مترادف فیزیک جدید و فراتر از درک فعلی ما در مورد جهان است.

این فیزیک جدید را می‌توان برای توضیح دادن ماهیت ماده تاریک به کار برد که در مدل استاندارد نمی‌گنجد. کالمت ادامه داد: یکی از بزرگترین رازهای جهان، ماهیت ماده تاریک است. ما می‌دانیم که ماده تاریک وجود دارد و تأثیر آن را در جهان خود می‌بینیم اما توضیح معتبری را در مدل استاندارد فیزیک ذرات نداریم. باید فیزیک جدیدی وجود داشته باشد اما ما نمی‌دانیم چگونه این ذرات جدید را توصیف کنیم و چگونه آنها را با ماده معمولی مرتبط سازیم.

کشف فیزیک جدید با کمک ساعت‌های اتمی

قوانین ثابت‌شده فیزیک نشان می‌دهند که صدای تیک‌تاک ساعت‌ها باید با سرعت ثابتی باشد اما فیزیک فراتر از محدوده مدل استاندارد، بارهای کوچکی را در سطوح انرژی اتمی به همراه دارد. این موضوع باید روی سرعت ساعت‌ها تأثیر بگذارد اما این تغییرات آن قدر کوچک هستند که فقط می‌توان آنها را با یک ساعت فوق‌العاده دقیق تشخیص داد. اینجاست که ساعت‌های اتمی وارد می‌شوند.

کالمت گفت: ساعت‌های اتمی، کیهان‌شناسی و اخترفیزیک را به زمین می‌آورند و جستجوی ذرات فوق‌سبک که می‌توانند ماده تاریک را در آزمایشگاه توضیح دهند، ممکن می‌سازند.

ساعت‌های اتمی، زمان را با استفاده از اتم‌های دارای دو حالت انرژی اندازه‌گیری می‌کنند. وقتی اتم‌ها انرژی را جذب می‌کنند، به حالت بالاتری از انرژی می‌روند. سپس، آنها در نهایت این انرژی را آزاد می‌کنند و به حالت پایین‌تر انرژی برمی‌گردند.

در ساعت‌های اتمی، گروه‌هایی از اتم‌ها با قرار گرفتن در حالت بالاتر انرژی و با استفاده از انرژی مایکروویو آماده می‌شوند و از ارتعاش آنها بین حالت‌ها -فرکانس‌های تشدید- برای اندازه‌گیری دقیق زمان استفاده می‌شود.

کالمت توضیح داد: اخیرا مشخص شده است که ماده تاریک را می‌توان از ذرات فوق سبک ساخت که تعامل بسیار ضعیفی با ماده معمولی دارند. اگر چنین باشد، ماده تاریک اساسا مانند یک موج کلاسیک رفتار می‌کند که با الکترون‌ها و پروتون‌ها تعامل دارد. این موج ماده تاریک، چند ضربه کوچک را به این ذرات وارد می‌کند.

وی افزود: این ذرات ماده تاریک فوق‌العاده سبک به عناصر سازنده اتم برخورد می‌کنند و تغییر زمانی را در ثابت‌های بنیادی جهان مانند ثابت ساختار ریز یا آلفا و جرم پروتون پدید می‌آورند.

کالمت ادامه داد: از آنجا که ساعت‌های اتمی دستگاه‌های بسیار دقیقی هستند، می‌توانند این ضربات را تشخیص دهند و در نتیجه، ماده تاریک فوق‌سبک را کشف کنند. با مقایسه کردن دو ساعت که یکی نسبت به تغییرات آلفا حساس است و دیگری حساسیت کمتری نسبت به تغییرات آلفا دارد، می‌توانیم محدودیتی را در تغییرات زمانی این ثابت اساسی به دست آوریم و محدودیت‌هایی را برای ذرات فوق سبک تعیین کنیم.

کالمت باور دارد که این روش را می‌توان برای بررسی جنبه دیگری از جهان نیز مورد استفاده قرار داد. این جنبه، انرژی تاریک نام دارد و نیروی ناشناخته‌ای است که انبساط پرشتاب فضا را هدایت می‌کند.

اگرچه کالمت اذعان کرد که انرژی تاریک به احتمال زیاد توسط ثابت کیهانی توضیح داده می‌شود اما احتمال کمی وجود دارد که بتوان آن را به یک ذره فوق سبک متصل کرد. در این راستا، ساعت‌های آینده نیز می‌توانند نسبت به همان ذره و موج مرتبط با آن حساس باشند.

کالمت نتیجه گرفت: اگرچه ساعت‌ها در این مرحله، فیزیک جدیدی را کشف نکرده‌اند اما ما توانستیم یک چارچوب نظری جدید را برای کاوش در فیزیک جدید عمومی با ساعت‌ها به وجود بیاوریم و اولین محدودیت‌های مستقل از مدل را در فیزیک فراتر از مدل استاندارد در این مرحله استخراج کنیم. ما سعی داریم یک حوزه جدید را در اتصال فیزیک اتمی، مولکولی و نوری و فیزیک ذرات سنتی ارائه دهیم. این نتایج هیجان‌انگیز هستند.

این پژوهش، در «New Journal of Physics» به چاپ رسید.