Ядерные часы тория‑229: «ультимативный» детектор тёмной материи
Почти столетие охота на тёмную материю ведётся по всем направлениям — от коллайдерных экспериментов и подземных криогенных детекторов до астрофизических наблюдений. Но если тёмная материя (DM) — это ультралёгкое «поле», она может проявляться как фоновая волна, едва заметно модулирующая фундаментальные константы и, следовательно, частоты квантовых переходов. Обычные оптические часы, измеряющие колебания электронов, обладают потрясающей точностью, но уязвимы к электромагнитным помехам. В ядерных часах «маятником» служит колебание ядра, куда слабее проникает шум среды.
Уникальность изотопа тория-229 в том, что его первый возбуждённый ядерный уровень расположен аномально низко — около 8,4 эВ, что делает его «достижимым» для настольных УФ-лазеров. Переход между основным и изомерным состояниями можно напрямую измерять, как движение маятника, фиксируя микроскопические сдвиги частоты, если поблизости «дышит» тёмная материя.
Как искать след тёмной материи в «линии» ядра
Традиционно ищут сдвиг резонансной частоты. Подход Переса и соавторов расширяет поле зрения: тёмная материя должна оставить отпечаток на всей форме линии — лёгкое расширение, асимметрию или периодическую «рябу», синхронную частоте поля DM. Это позволяет:
- одновременно оценивать массу кандидата (по частоте модуляции) и силу связи (по амплитуде и деформации линии);
- работать ещё до того, как полнофункциональные ядерные часы достигнут предельной стабильности: достаточно узкой линии 229Th и стабильного лазера;
- дополнить сети оптических часов, более чувствительных к связям DM с электронами/фотонами, режимом, «настроенным» на ядерные связи с кварками/глюонами.
Прорывы последнего года делают эту стратегию практичной. PTB и их партнёры продемонстрировали устойчивое лазерное возбуждение изомера и первичные измерения частоты/времени жизни в кристаллах‑матрицах; коллективы в Колорадо/JILA уточнили температурные окна и способы удешевления/«разрадиоактививания» образцов (тонкие плёнки ThF₄), а также методы непрерывной накачки на 148 нм. Параллельно показана лазерно‑индуцированная «разрядка» (quenching) изомера — приём для управления шириной линии и фоном.
Длинный путь к «идеальным часам», но выгоды уже сейчас
Даже если тёмная материя не будет обнаружена сразу, побочные результаты исследований бесценны. Ядерный эталон менее чувствителен к внешним полям, что создаёт резерв для систем связи, энергосетей и автономной космической навигации. Сети ядерных и оптических часов смогут проверять стабильность фундаментальных констант, искать «тихие» гравитационные волны и новые поля. В 2030-х годах откроется окно для пересмотра определения секунды, и торий-229 станет одним из главных кандидатов благодаря рекордной стабильности.
Что важно знать прямо сейчас
Готовых полноценных ядерных часов пока нет, однако «датчиковый» режим уже используется: анализируется форма линии 229Th. Цель ближайших лет — ещё сильнее сузить линию и синхронизировать измерения в нескольких лабораториях по времени и частоте. Этот метод дополняет крупные детекторы — от WIMP-поисков в благородных газах до магнонных сенсоров — и перекрывает новые диапазоны масс ультралёгкой DM. Европейский исследовательский совет (ERC) поддержал расширение программы Переса, а PTB, JILA и другие центры наращивают мощности УФ-лазеров на длине волны около 148 нм.
Что дальше
Дорожная карта исследований включает несколько ключевых этапов. В ближайшие годы планируется усовершенствовать методы лазерного возбуждения изомера тория-229 и добиться рекордного сужения линии. Следующий шаг — организация международной сети лабораторий для синхронных измерений, что повысит чувствительность к сигналам DM. Параллельно будут вестись работы по интеграции ядерных стандартов в существующие системы оптических часов, а также по расширению поискового диапазона масс тёмной материи. В перспективе — выход на прототип ядерных часов с стабильностью, достаточной для включения их в глобальные навигационные и метрологические сети.
