Os relógios ópticos são tão precisos que levaria cerca de 20 bilhões de anos – mais do que a idade do universo – para perder ou ganhar um segundo. Agora, pesquisadores nos Estados Unidos liderados pelo grupo de Jun Ye no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e na Universidade do Colorado exploraram a precisão e exatidão de seus relógios ópticos e a estabilidade sem precedentes de sua cavidade óptica de silício cristalino para restringir qualquer possível acoplamento entre partículas e campos no modelo padrão da física e os até agora elusivos componentes da matéria escura.
A existência de matéria escura é indiretamente evidente a partir de efeitos gravitacionais em escalas galácticas e cosmológicas, mas além disso, pouco se sabe sobre sua natureza. Um dos efeitos que surgem da análise teórica do acoplamento da matéria escura às partículas no modelo padrão da física é uma oscilação resultante nas constantes fundamentais. Ye e colaboradores perceberam que se o seu equipamento de metrologia de classe mundial não pudesse detectar essas oscilações, então esse resultado aparentemente nulo seria uma confirmação útil de que a força das interações da matéria escura com as partículas no modelo padrão da física deve ser ainda menor do que a ditada pelo restrições até agora registradas.
Cronometrando valores constantes fundamentais
As tentativas anteriores de localizar evidências diretas de matéria escura variam de experimentos de laboratório a grandes projetos de colisor de partículas, como os do Large Hadron Collider (LHC). Muitos desses esforços buscaram interações com, por exemplo, partículas massivas de interação fraca (WIMPs), que têm massas semelhantes a um átomo de prata na faixa de 100 GeV, ou axions – uma partícula hipotética destinada a explicar elementos da física de partículas, e que pode se encaixar com as teorias da matéria escura. No entanto, Ye e seus colaboradores usaram seu relógio óptico e dispositivos de cavidade para identificar possíveis interações entre a matéria escura e as partículas na extremidade inferior do espectro de massa muito abaixo de 1 eV, que é 500.000 vezes menor do que a massa de um elétron em repouso.
Os relógios ópticos são um tipo de relógio atômico. Os primeiros relógios atômicos exploraram transições hiperfinas em átomos de césio 133 – quando os elétrons no átomo de césio 133 giram, a mudança resultante na energia do estado do átomo é emitida como radiação eletromagnética com uma frequência característica na faixa de microondas. No entanto, as transições entre orbitais de elétrons em átomos de estrôncio levam a mudanças de energia com uma frequência correspondente muito mais alta na faixa óptica, e agora que a tecnologia foi desenvolvida para medir essas transições, é possível manter o tempo com precisão ainda maior. Além disso, a frequência dos relógios ópticos está diretamente relacionada a certas constantes fundamentais, fornecendo uma rota para medir as variações potenciais dessas grandezas com precisão sem precedentes.
Ye e colaboradores usaram seu relógio óptico para pesquisar quaisquer variações na constante fundamental α, a constante de estrutura fina, que define a força das interações entre as partículas carregadas e os fótons. Para esse fim, eles compararam a frequência dos átomos de estrôncio usados no relógio óptico com sua cavidade de silício cristalino, um dispositivo usado em lasers que permite que ondas eletromagnéticas ricocheteiem entre superfícies refletoras opostas e criem uma onda estacionária com uma frequência característica determinada pelo comprimento da cavidade. A frequência de ambos os dispositivos é definida em termos de α e de me (outra constante fundamental que dá a massa do elétron), mas com dependências diferentes, de modo que a razão entre as duas frequências revela quaisquer variações na constante α.
“As pessoas usaram relógios atômicos em frequências de microondas para restringir os limites das forças de acoplamento da matéria escura, mas este trabalho representaria os primeiros resultados sobre o uso de relógios atômicos ópticos para fornecer restrições na assinatura oscilatória da matéria escura”, disse Ye.
Além de comparar a frequência da cavidade com os átomos do relógio, os pesquisadores a compararam com a frequência de um maser de hidrogênio – um padrão de frequência de microondas que gera radiação com base em transições entre diferentes estados de spin eletrônico e nuclear no átomo de hidrogênio. Embora o maser de hidrogênio não forneça tempo tão preciso quanto o relógio óptico baseado em estrôncio, as transições de energia em que ele se baseia levam a uma relação diferente entre a frequência e as constantes α e me, de modo que a razão de sua frequência com a de a cavidade de silício cristalino também fornece uma sonda para variações no valor de mim. Enquanto as oscilações no valor de α indicariam interações entre a matéria escura e os campos eletromagnéticos, as oscilações em mim revelariam interações com a massa do elétron.
As relações de frequência medidas entre a cavidade e o relógio óptico e o maser de hidrogênio também contam com outra vantagem crucial – a estabilidade da cavidade de silício cristalino. “A maioria das cavidades é feita de vidro, que é um sólido desordenado e amorfo com muita deriva dimensional e instabilidade”, explica Colin Kennedy, pesquisador do grupo de Ye e primeiro autor do relatório desses resultados, destacando a vantagem de usar um cavidade composta por um único cristal grande de silício. “Esta nova geração de cavidades é feita de monocristais de silício e também são mantidas em temperaturas criogênicas, tornando-as ordens de magnitude mais estáveis. Esta é a principal vantagem do nosso trabalho.”
Aproximando-se da matéria escura
Embora (como esperado) os pesquisadores não tenham observado oscilações nas constantes fundamentais devido às interações com a matéria escura, seus dados estreitaram a gama de valores possíveis que os parâmetros dessa interação poderiam ter. Para partículas de matéria escura com massas na faixa de 4,5 × 10−16 até 1 × 10−19 eV, a possível força das interações de matéria escura definidas por α é restringida por um fator adicional de até cinco por esses resultados, e aqueles definidos por mim são restringidos por até um fator de 100 para massas entre 2 × 10−19 e 2 × 10−21 eV.
“A ideia de usar uma frequência de ressonância de cavidade óptica para comparar com uma frequência atômica foi proposta pela primeira vez em uma troca de e-mail entre mim e o Prof. Victor Flambaum”, disse Ye a phys.org, relembrando sua troca por volta de 2015. Enquanto Flambaum escreveu muito rapidamente um documento descrevendo as idéias básicas que discutiram, Ye diz que ele “queria ver os resultados experimentais. E aqui estamos.”
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