가벼운 격자 시계와 세슘 라이브 바카라 스프링 시계로 암흑 물질 탐색

1 차 연구원 코바야시 타카미 (Kobayashi Takumi), 국립 고급 산업 과학 기술 연구소 (이하 "AIST") 및 최고 연구원 인 Takamizawa Akifumi는 Yokohama University와 협력하여 Ytterbium에 공동으로 일할 것입니다광학 격자 시계andCesium Atomic Hood Clock암흑 물질에 대한 검색을 수행했습니다

AIST초의 재정의를위한 할 수 없습니다Ytterbium 광 격자 시계 중 하나는 오랜 기간 동안 높은 운영 속도로 운영되며 국제 표준 시간입니다국제 라이브 바카라 시간에 기여했습니다 라이브 바카라 시계의 빈도는미세 구조 상수기본 물리적 상수에 의해 결정되며 기본 물리 상수의 상수 상수는 라이브 바카라 시계의 정확도를 보장합니다 반면, 라이브 바카라 시계는 기본 물리적 상수가 실제로 일정한지 여부를 확인하는 실험 장치라고도 할 수 있습니다

최근 몇 년암흑 물질을위한 할 수없는전자 질량 (약 9 × 10^-31kg보다 20 배 이상 더 가벼운 초경량 암흑 물질이 제안되었습니다 이 가벼운 암흑 물질은 입자가 아닌 파도로 작동합니다 암흑 물질의 파도가 라이브 바카라와 같은 정상적인 물질이라면상호 작용이론적으로 기본 물리 상수가 주기적으로 변동될 것으로 예상되며, 라이브 바카라 시계의 주파수는 주기적으로 변동합니다 이 연구에서 우리는 Ytterbium 광학 격자 클록 및 세슘 라이브 바카라 스프링 시계의 주파수 비율 데이터로부터의주기적인 변화를 탐구했다 결과적으로 질량 범위 10^-58kg ~ 10^-56초경량 무장 암흑 물질과 전자 사이의 상호 작용이 존재하지 않거나 어떤 경우도 매우 약한 결과가 얻어졌습니다 이러한 결과는 암흑 물질을 명확하게하는 것을 목표로하는 기본 물리학에 기여합니다

이 기술에 대한 세부 사항은 2022 년 12 월 7 일 (미국 동부 표준 시간)에 제공 될 예정입니다물리 검토 편지"

현재, 초는 세슘 라이브 바카라와 공명하는 마이크로파 주파수 (약 92GHz)로 정의되며 세슘 라이브 바카라 스프링 시계에 의해 16 자리 정확도로 달성됩니다 전자 레인지 (약 500 THZ)보다 더 높은 주파수를 가진 광선을 사용하는 광 격자 클록은 시간 정확도를 1-2 크기로 향상시켜 재정의 초를위한 잠재적 후보가 될 수 있습니다 라이브 바카라 시계의 정확도가 크게 증가하면 기본 물리적 상수의 변화가 감지 될 수 있습니다 기본 물리적 상수는 일정하다고 말하며 변화가 있더라도 일상 생활의 불편 함에 대해 걱정할 필요가 없습니다 반면에, 기본 물리 상수의 변화는 물리학 연구의 흥미로운 주제이며, 예를 들어, 변화는 암흑 물질로 인해 변화가 발생할 수 있다는 이론적 연구입니다

진정한 정체성이 알려지지 않은 암흑 물질은 라이브 바카라와 같은 일반적인 물질보다 질량이 약 5 배 더 큽니다 암흑 물질의 설명은 물리 연구의 흥미로운 주제가되었으며, 지금까지 암흑 물질에 대한 후보자들은 광범위한 질량에 걸쳐 제안되었으며, 망원경, 위성, 기본 입자 검출기 및 레이저 간섭계와 같은 다양한 장치를 사용하여 탐사 실험이 수행되었습니다 우리 가이 연구에서 우리가 집중 한 초경량 암흑 물질은 우주 구조의 형성의 관점에서 적극적으로 연구하는 후보자 중 하나입니다 양자 역학에서 전자, 양성자, 중성자, 광자 등은 입자이며 파도의 특성을 갖습니다 Ultralight Dark Matter는 입자보다 더 뚜렷한 파동 특성을 보여줍니다 초경량 암흑 물질이 정상 물질과 상호 작용하면 미세 구조 상수 및 전자 질량과 같은 기본 물리적 상수가 주기적으로 변동될 것으로 예상됩니다

라이브 바카라 시계는 최근 몇 년 동안 암흑 물질 연구에서 주목을 끌고 있습니다 그들은 민감도가 높은 이러한 기본 물리적 상수의 주기적 변화를 감지 할 수 있기 때문입니다 광학 격자 시계 또는 세슘 라이브 바카라 스프링 시계와 같은 최고 정밀 라이브 바카라 시계를 사용하면 초경량 암흑 물질의 검출 감도를 증가시키는 데 효과적입니다 지금까지, 미세 구조 상수의 주기적 변화는 2 개의 광학 격자 시계의 주파수 비율로부터 검색되었지만 광학 격자 시계와 세륨 라이브 바카라 스프링 클록을 결합한 보고서는보고되지 않았다 이 조합은 광학 격자 시계 만 사용하여 볼 수없는 전자 질량의주기적인 변화에 민감합니다 세슘 라이브 바카라 스프링 시계는 광학 격자 시계보다 노이즈가 더 크기 때문에 동시에 높은 작동 속도에서 장기간 (예 : 10 일 이상) 높은 작동 속도로 모두 작동하는 것이 중요합니다 그러나 광학 격자 시계는 매우 복잡한 장치이기 때문에 많은 연구 기관에서 장기 작동이 어려웠습니다

AIST는 일본입니다National Metrology Standards Agency|로 라이브 바카라 시계에 대한 연구를 수행하고 있으며, 세슘 라이브 바카라 스프링 시계와 광학 격자 시계를 개발하고 있습니다 이러한 라이브 바카라 시계는 계량 표준 기관의 중요한 사명 인 국제 라이브 바카라 시간 교정을 수행하며 정확한 국제 표준 시간을 유지하려는 노력에 기여했습니다 특히 Ytterbium 광학 격자 시계의 높은 운영 속도에서 세계 최고 성능은 다음과 같습니다Aisotech Press 발표 2020 년 11 월 3 일), Cesium Atomic Spring 클럭과 지속적으로 비교할 수 있습니다 AIST는 세계에서 희귀 한 기관으로, 광학 격자 시계와 세슘 라이브 바카라 스프링 시계를 동시에 높은 작동률과 비교할 수 있습니다 이번에는이 기술을 암흑 물질에 대한 연구에 적용했습니다

이 연구 및 개발은 JSPS JK 보조금 B (No 15K21669, 17K14367), 기본 연구 C (No 18K04989), Fundamental Research B (No 22H01241), 기본 연구 A (No 17H01151) 및 JST 미래 사회 프로젝트 (No No No No No JPMJMI18A1)

그림 1은 Ytterbium 광학 격자 시계와 암흑 물질을 검색하는 데 사용되는 세슘 라이브 바카라 스프링 시계의 주파수 비율 데이터를 보여줍니다 가능한 가장 긴 관찰 기간을 보장하기 위해 2021 년 8 월 2 일부터 2020 년 11 월 17 일과 40 일 동안 25 일 동안 측정을 수행했으며, 두 단위는 각각 644% 및 745%의 높은 운영 속도로 운영되었습니다 이 데이터는 다양한 기간을 가정하여 정현파 곡선으로 반복적으로 장착되었으며 주어진 기간에 큰 진폭이 얻을 수 있는지 검색했습니다 데이터 변동은 주로 Cesium Atomic Spring Clocks의 무작위 노이즈로 인한 것이지만 장기 작동 중에 얻은 많은 양의 데이터를 평균화함으로써 검색을 높은 정확도로 수행 할 수 있습니다

이 측정 데이터는 광학 격자 클록의 주파수 비율과 세륨 라이브 바카라 스프링 클록이 주기적으로 변한다는 증거를 제공하지 않습니다 그러나, 우리는 광학 격자 시계와 세슘 라이브 바카라 스프링 시계의 장기 비교의 새로운 방법을 사용했기 때문에 10 ~ 298 일 사이의 전자 질량의 변화가 없다는 것을 발견했으며, 만약 존재한다면, 그 진폭은 15 자리 미만이었다 초경량 암흑 물질의 이론은 암흑 물질이 전자와 상호 작용할 때 전자 질량이 암흑 물질에 비례하여 주파수로 변동한다는 것입니다 이 이론을 고려한 후, 분석 결과 10^-58kg ~ 10^-56kg, 우리는 초경량 체중의 암흑 물질과 전자 사이의 상호 작용 강도를 위해 검색 영역을 성공적으로 확장했습니다 그림 2는 수직 축에서의 상호 작용 강도와 수평 축의 암흑 물질의 질량을 나타내는 결합 상수를 보여줍니다 그리고 영역은 이전 실험에서 검색하고 배제되었습니다 빨간색 페인트 영역은이 연구에서 상호 작용의 가능성이 먼저 제거되었으며 장기적인 운전으로 인해 이전 연구에서 접근 할 수없는 상호 작용이 매우 약한 영역을 탐색 할 수 있음을 나타냅니다 기본 입자부터 천체에 이르기까지 광범위한 질량을 가진 암흑 물질의 후보자가 제안되었지만 이론만으로는 질량 범위를 좁히기가 어렵 기 때문에 실험과 관찰을 통해 탐험되지 않은 영역으로 들어가는 것이 중요합니다 이 결과는 라이브 바카라 시계의 장기 작동이 시간 표준뿐만 아니라 기본 물리학에도 기여한다는 것을 보여줍니다

* 그림 1과 2이 보도 자료에서 원래 논문에서 인용되고 수정 된 그림을 사용합니다

라이브 바카라 시계의 정확성과 견고성을 계속 개선함으로써, 우리는 국제 라이브 바카라 시간의 원래 사명에 계속 기여하는 동시에 암흑 물질을 포함한 기본 물리학에 대한 연구를 촉진 할 것입니다

게시 된 잡지 :물리 검토 편지
종이 제목 : 광학 및 마이크로파 라이브 바카라 시계의 장기 주파수 비교에서 초경량 암흑 물질 검색
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광학 격자 시계

이 라이브 바카라 시계는 2001 년 도쿄 대학교 공학 대학원의 Katori Hidetoshi 조교수에 의해 제안되었습니다 레이저 라이트를 사용하여 많은 수의 라이브 바카라를 우주로 능숙하게 캡처함으로써, 라이브 바카라의 공명 주파수를 동시에 측정 할 수 있으므로 라이브 바카라의 공명 주파수에 기초하여 정확한 시간 측정을 허용 할 수 있습니다 세슘 라이브 바카라 스프링 시계에 대한 18 자리 범위로 개선 된 것으로 입증되었으며, 이는 15-16 자리의 정확도로 1 초의 현재 정의를 달성합니다[참조로 돌아 가기]

Cesium Atomic Hood Clock

약 92GHz의 세슘 라이브 바카라의 공명 주파수를 기반으로 "초"의 현재 정의를 실현하는 장치 중에서 가장 높은 정밀도를 가진 라이브 바카라 시계 세슘 라이브 바카라가 포획되고 냉각 된 다음 분수 또는 스프링으로 발사되기 때문에 라이브 바카라 스프링 방법이라고합니다[참조로 돌아 가기]

암흑 물질

질량은 있지만 라이브 바카라와 같은 일반적인 물질과 같이 빛으로 관찰 할 수 없으며 그 진정한 정체성은 알려져 있지 않습니다 우주는 약 5% 정상 물질, 약 27% 암흑 물질 및 약 68%의 암흑 에너지로 구성됩니다[참조로 돌아 가기]

몇 초를 재정의 할 수 없습니다

현재 초의 현재 정의를 인식하는 시소 라이브 바카라 시계의 경우, 향후 성능을 초과 할 수있는 라이브 바카라 시계는 "두 번째의 2 차 표현"이라는 목록에 포함되며 초를 재정의하기위한 후보자로 사용됩니다 현재, 빛을 사용하는 10 개의 라이브 바카라 시계는 중성 라이브 바카라 Strontium, Ytterbium 및 Mercury를 사용한 광학 격자 클록 및 단일 이온을 사용한 라이브 바카라 시계를 포함하여 초기를 재정의하는 후보입니다[참조로 돌아 가기]

국제 라이브 바카라 시간 (TAI)

전 세계 표준 엔진을 측정하여 유지 관리하는 약 500 개의 라이브 바카라 시계를 평균 500 개의 라이브 바카라 시계를 유지하고 세슘 라이브 바카라 스프링 시계 및 광학 선자 시계와 같은 고정밀 라이브 바카라 시계를 사용하여 초의 정의를 기반으로 교정하는 시간 시스템 그것은 1958 년 1 월 1 일 자정에 시작되었으며, 기원은 지구의 회전에 기초한 시간 시스템 UT2와 일치했을 때 시작되었습니다 조정 된 범용 시간 (UTC)은 국제 라이브 바카라 시간과의 정수 차이를 유지하면서 국제 라이브 바카라 시간에 도약 초를 추가함으로써 지구의 회전을 기반으로 시간 시스템과 대략 일치하도록 조정되는 시간 시스템입니다[참조로 돌아 가기]

미세 구조 상수

전자기력으로 인한 상호 작용의 강도를 나타내는 커플 링 상수 역사적으로, 그것은 수소 라이브 바카라 스펙트럼 라인의 미세 구조를 설명하기 위해 일정하게 도입되었습니다[참조로 돌아 가기]

기본 물리적 상수

물리 법칙을 지배하는 보편적 인 상수 광속도, 플랑크 상수, 미세 구조 상수, 전자 질량, 범용 중력 상수 등이 있습니다[참조로 돌아 가기]

암흑 물질에 대한 할 수없는

기본 입자에서 거시적 천체에 이르기까지 다양한 후보자들이 광범위한 질량에 대해 제안되었습니다 입자 물리 이론은 예제로서 Wimp (약하게 상호 작용하는 대규모 입자), Axion 및 Diraton이라는 가상의 기본 입자를 나열합니다 Ultralight Dark Matter는 Axion과 Diraton의 이론을 기반으로 하며이 연구에서는 Diratons로 구성된 것으로 가정합니다[참조로 돌아 가기]

상호 작용

서로의 여러 물질의 힘 암흑 물질과 일반적인 물질 사이에는 중력으로 인한 상호 작용이 있지만 전자기 상호 작용은 없다는 것이 밝혀졌습니다 전자기력과의 상호 작용을 피하기 위해 망원경 등을 사용하여 빛을 사용하여 암흑 물질을 직접 관찰 할 수 없습니다 이 연구는 딜라 톤과 전자 사이의 가상 상호 작용에 중점을 둡니다[참조로 돌아 가기]

National Metrology Standards Agency

각 국가에서 설립 된 측정을 전문으로하는 연구 기관 기본적으로, 기본 SI 유닛 (미터, 킬로그램, 초, 암페어, 켈빈, 두더지, 칸델라)을 포함하여 국가의 국가 표준으로 많은 SI 유닛 계량 표준이 개발, 유지 및 관리됩니다 또한 각 국가의 국가 표준의 평등을 확인하기 위해 SI 유닛의 사용과 국제 비교를 정기적으로 홍보합니다[참조로 돌아 가기]