Os rela³gios a³pticos são tão precisos que levaria cerca de 20 bilhaµes 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 exatida£o de seus rela³gios a³pticos e a estabilidade sem precedentes de sua cavidade a³ptica de sila­cio cristalino para restringir qualquer possí­vel acoplamento entrepartículas e campos no modelo padrãoda física e os atéagora elusivos componentes da matéria escura.

A existaªncia de matéria escura éindiretamente evidente a partir de efeitos gravitacionais em escalas gala¡cticas e cosmola³gicas, mas além disso, pouco se sabe sobre sua natureza. Um dos efeitos que surgem da análise tea³rica do acoplamento da matéria escura a spartículas no modelo padrãoda física éuma oscilação resultante nas constantes fundamentais . Ye e colaboradores perceberam que se 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 aspartículas no modelo padrãoda física deve ser ainda menor do que o ditado pelo restrições atéagora registradas.

As tentativas anteriores de localizar evidaªncias diretas de matéria escura variam de experimentos de laboratório a grandes projetos de colisor departículas, como os do Large Hadron Collider (LHC). Muitos desses esforços buscaram interações com, por exemplo,partículas massivas de interação fraca (WIMPs), que tem massas semelhantes a um a¡tomo de prata na faixa de 100 GeV, ou axions - uma parta­cula hipotanãtica destinada a explicar elementos da física departículas, e que pode se encaixar com as teorias da matéria escura. No entanto, Ye e seus colaboradores usaram seu rela³gio a³ptico e dispositivos de cavidade para identificar possa­veis interações entre a matéria escura e aspartículas na extremidade inferior do espectro de massa muito abaixo de 1 eV, que é500.000 vezes menor do que a massa de um elanãtron em repouso .

Os rela³gios a³pticos são um tipo de rela³gio ata´mico. Os primeiros rela³gios ata´micos exploraram transições hiperfinas em a¡tomos de canãsio 133 - quando os elanãtrons no a¡tomo de canãsio 133 giram, a mudança resultante na energia do estado do a¡tomo éemitida como radiação eletromagnanãtica com uma frequência caracterí­stica na faixa de microondas. No entanto, as transições entre orbitais de elanãtrons em a¡tomos de estra´ncio levam amudanças de energia com uma frequência correspondente muito mais alta na faixa a³ptica, e agora que a tecnologia foi desenvolvida para medir essas transições, épossí­vel manter o tempo com precisão ainda maior. Além disso, a frequência dos rela³gios a³pticos estãodiretamente relacionada a certas constantes fundamentais, fornecendo uma rota para medir as variações potenciais dessas grandezas com precisão sem precedentes.

Ye e colaboradores usaram seu rela³gio a³ptico para pesquisar quaisquer variações na constante fundamental α, a constante de estrutura fina, que define a força das interações entre aspartículas carregadas e os fa³tons. Para esse fim, eles compararam a frequência dos a¡tomos de estra´ncio usados ​​no rela³gio a³ptico com sua cavidade de sila­cio cristalino, um dispositivo usado em lasers que permite que ondas eletromagnanãticas ricocheteiem entresuperfÍcies refletoras opostas e criem uma onda estaciona¡ria com uma frequência caracterí­stica determinada pelo comprimento da cavidade. A frequência de ambos os dispositivos édefinida em termos de α e m e (outra constante fundamental que da¡ a massa do elanãtron) mas com dependaªncias diferentes, de forma que a razãoentre as duas frequências revela quaisquer variações na constante α.

"As pessoas usaram rela³gios ata´micos 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 rela³gios ata´micos a³pticos para fornecer restrições na assinatura oscilata³ria da matéria escura", disse Ye.

Além de comparar a frequência da cavidade com os a¡tomos do rela³gio, os pesquisadores a compararam com a frequência de um maser de hidrogaªnio - um padrãode frequência de microondas que gera radiação com base em transições entre diferentes estados de spin eletra´nico e nuclear no a¡tomo de hidrogaªnio. Embora o maser de hidrogaªnio não fornea§a tempo de manutenção tão preciso quanto o rela³gio a³ptico baseado em estra´ncio, as transições de energia que ele se baseia levam a uma relação diferente entre a frequência e as constantes α e m e, de modo que a razãode sua frequência com aquela da cavidade de sila­cio cristalino fornece uma sonda para variações no valor de m e , também. Enquanto as oscilações no valor de α indicariam interações entre a matéria escura e os campos eletromagnanãticos, oscilações em m e revelaria interações com a massa do elanãtron.

As relações de frequência medidas entre a cavidade e o rela³gio a³ptico e o maser de hidrogaªnio também contam com outra vantagem crucial - a estabilidade da cavidade de sila­cio cristalino. “A maioria das cavidades éfeita de vidro, que éum sãolido 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 aºnico cristal grande de sila­cio. "Esta nova geração de cavidades éfeita de monocristais de sila­cio e também são mantidas em temperaturas criogaªnicas, tornando-as ordens de magnitude mais esta¡veis. Esta éa principal vantagem do nosso trabalho."

Embora (como esperado) os pesquisadores não tenham observado oscilações nas constantes fundamentais devido a s interações com a matéria escura, seus dados estreitaram a gama de valores possa­veis que os parametros dessa interação poderiam ter. Parapartículas de matéria escura com massas na faixa de 4,5 a— 10 −16 até1 a— 10 −19 eV, a possí­vel força das interações de matéria escura definida por α érestringida por um fator adicional de atécinco por esses resultados, e aqueles definido por m e são restringidas por tanto como um fator de 100 para massas entre 2 a— 10 -19 e 2 a— 10 -21 eV.

"A ideia de usar uma frequência de ressonância de cavidade a³ptica 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 idanãias ba¡sicas que discutiram, Ye diz que ele "queria ver os resultados experimentais. E aqui estamos."