Poszukiwanie ciemnej materii przy pomocy optycznych zegarów atomowych

Optyczne zegary atomowe to najbardziej precyzyjne urządzenia, jakie udało się fizykom do tej pory zbudować. W Polsce znajdują się takie dwa, obydwa w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu. Zajmuje się nimi grupa CASTLE (Cold Atomic Space-Time Laboratory), na czele z dr. hab. Michałem Zawadą, prof. UMK.

Zegary te o sekundę spóźnią się za około 30 milionów lat. Niezwykła dokładność optycznych zegarów atomowych otwiera wiele możliwości dla nauki, na przykład umożliwia badanie fizyki fundamentalnej, między innymi poprzez badanie bardzo subtelnych efektów. Powodowane one być mogą na przykład przez ciemną materię. Poszukiwanie ciemnej materii przy pomocy optycznych zegarów atomowych to jeden z najbardziej egzotycznych eksperymentów przeprowadzanych obecnie w KL FAMO. Został on zainicjowany przez dr. hab. Piotra Wcisło. Jest to również projekt, który stanowi doskonały przykład tego, jak ważna w dzisiejszej nauce jest międzynarodowa współpraca pomiędzy różnymi grupami.

Dzięki imponującym technikom obserwacyjnym, jakie rozwinęli astronomowie podczas ostatnich dziesięcioleci, jesteśmy dzisiaj w stanie badać najróżniejsze obiekty we wszechświecie. Największe teleskopy na Ziemi codziennie nakierowane są na różne gwiazdy, planety, galaktyki. Obserwujemy zarówno formowanie się nowych planet, jak i śmierć gwiazd. Brakuje nam jednak w kosmosie jednego, bardzo ważnego puzzla, który pomógłby złączyć naszą astronomiczną wiedzę w całość. Jest nim tak zwana ciemna materia.  Istnieje wiele efektów, których nie potrafimy wytłumaczyć, opierając się tylko na widzialnej nam materii. Obserwujemy na przykład galaktyki, które zachowują się jakby były masywniejsze, niż nam się wydaje. Najpowszechniejsza astronomiczna teoria wprowadza do naszego Wszechświata materię, która ma masę, jednak nie pochłania ani nie odbija światła, czyli jej nie widzimy. Przez to, że nie jesteśmy w stanie jej zaobserwować, nie potrafimy powiedzieć z czego ona się składa. Jest to zjawisko bardzo egzotyczne i nieintuicyjne. Skoro ciemnej materii nie możemy zobaczyć, to jak mamy ją zbadać? Istnieje wiele teorii mówiących o tym, z czego składa się ta nieznana materia. Bazując na tych teoriach, w największych laboratoriach na świecie projektowane są eksperymenty czułe na dane typy ciemnej materii.

Historia poszukiwania ciemnej materii przy pomocy optycznych zegarów atomowych jest trochę inna. Zegary te znajdują się w kilku laboratoriach na świecie, między innymi w Polsce. Jak ich nazwa wskazuje, mogą być używane do wyznaczania czasu. Często używane są również do przeprowadzania eksperymentów z dziedziny zimnej chemii. Pomysł wykorzystania ich dokładności do poszukiwania ciemnej materii istniał w świecie fizyki już kilkanaście lat temu, był jednak trudny do zrealizowania. Opierał się on na tym, że „tykanie” różnych zegarów zostałoby lekko zmodyfikowane, gdyby zegar taki oddziaływał z ciemną materią. Modyfikacja ta byłaby bardzo mała, dlatego też trudna do zaobserwowania. Zaproponowany został następujący eksperyment: dwa zegary można połączyć światłowodami, a następnie porównać ich „tykanie”. Jak jednak połączyć zegary znajdujące się w Japonii, Polsce, Stanach Zjednoczonych?

Okazuje się jednak, że zegary wcale nie muszą być połączone. Jest to pomysł, który narodził się w Toruniu: zamiast porównywania ze sobą dwóch zegarów, można porównać dwa elementy tego samego zegara, które spowodują zmianę tykania w obecności ciemnej materii. Dwa główne elementy optycznego zegara atomowego to wnęka optyczna oraz ultrazimne atomy. Istotnym faktem w tym eksperymencie jest to, że te dwa elementy zareagowałyby inaczej na ciemną materię. Oznacza to, że porównując ich zachowania, możemy szukać ciemnej materii przy pomocy pojedynczego zegara! Naukowcy z KL FAMO przeprowadzili w 2016 r. doświadczenie, w którym użyli dwóch znajdujących się na UMK zegarów. Chociaż nie odnotowali żadnego sygnału pochodzącego od ciemnej materii, to byli w stanie zweryfikować istniejące modele. Eksperyment pozwolił ograniczyć możliwą siłę, z jaką ciemna materia oddziałuje z widzialną materią.

Możemy zadać sobie pytanie: jeżeli zaobserwujemy w zegarze jakiś sygnał, to skąd wiemy, że pochodzi on akurat od ciemnej materii? Zegary te są na tyle czułe, że każdy, najmniejszy czynnik wpływa na ich pracę. Jak możemy zweryfikować, że podejrzany sygnał nie jest spowodowany tramwajem, który przejeżdżał akurat obok Instytutu Fizyki UMK? Gdybyśmy zobaczyli taki sygnał w zegarach znajdujących się w różnych miejscach, wynik byłby zdecydowanie bardziej przekonujący. Dlatego właśnie fizycy z UMK zapoczątkowali pierwszą na świecie Globalną Sieć Optycznych Zegarów Atomowych. W 2018 r. przeprowadzony został eksperyment przy użyciu zegarów znajdujących się w KL FAMO w Toruniu oraz w laboratoriach NIST w Stanach Zjednoczonych, NICT w Japonii oraz SYRTE we Francji. Jest to doskonały przykład tego, że współczesna fizyka jest dziedziną międzynarodową oraz wymaga współpracy wielu grup badawczych.

Poszukiwanie ciemnej materii to nie jedyny eksperyment, który przeprowadzany jest obecnie w KL FAMO. Jakie jest najbardziej intuicyjne zastosowanie optycznych zegarów atomowych? Definiowanie czasu, czyli wyznaczanie długości sekundy. Obecnie sekunda wyznaczana jest przez zegary atomowe. Zegary atomowe to nie to samo, co optyczne zegary atomowe! Są one znacznie mniej dokładne. Obecnie pracuje się nad tym, aby zmienić definicję sekundy i wyznaczyć ją przy pomocy zegarów właśnie optycznych. W tym celu zegary próbuje się zmniejszyć (dwa optyczne zegary atomowe znajdujące się w KL FAMO zajmują cztery pokoje), oraz maksymalnie zmechanizować, aby nie potrzebowały ingerencji człowieka do ciągłej pracy. Rozwój optycznych zegarów atomowych wpłynie na wiele codziennych aspektów życia, takich jak komunikacja, przesyłanie danych czy na przykład nawigacja GPS. Będą one nie tylko ustanawiały nową granicę w kwantowym pomiarze czasu, ale także pozwolą na badania w nowej, wcześniej niedostępnej skali. Projekt ten rozwija zaawansowane techniki kwantowe w środowisku laboratoryjnym.

Obecnie optyczne zegary atomowe znajdujące się w KL FAMO wykorzystywane są do dalszych poszukiwań ciemnej materii, jak i wielu innych eksperymentów. Grupa CASTLE współpracuje z wieloma zagranicznymi laboratoriami, co umożliwia między innymi wspólne pomiary, tak jak w przypadku Globalnej Sieci Optycznych Zegarów Atomowych. Międzynarodowe kolaboracje są koniecznością w dzisiejszej nauce, w szczególności w fizyce eksperymentalnej, umożliwiają one badania na dużo większą skalę niż w małych grupach badawczych.

Beata Zjawin, studentka fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, znalazła się wśród sześciu laureatek 19. edycji programu L’Oréal Polska „Dla kobiet i nauki”. Uzyskała tytuł Najlepszego Studenta UMK w roku akademickim 2018/2019, otrzymała także  prestiżowe stypendium SPIE Optics and Photonics Education Scholarship. (win)