شوهدت الفوتونات من انتقال الساعة النووية أخيرًا - عالم الفيزياء

تم إجراء أول قياس مباشر لانتقال نووي من الثوريوم إلى 229 والذي يمكن أن يشكل أساسًا لـ "ساعة نووية". تم إجراء البحث في CERN ، ويتبع تجربة عام 2016 أكدت وجود الانتقال ولكنها لم تكتشف الفوتون الناتج. لا يزال هناك الكثير من العمل قبل أن يتم إنتاج ساعة عمل ، ولكن إذا ثبت أن مثل هذا الجهاز ممكن ، فقد يثبت أنه أداة مهمة للبحث في الفيزياء الأساسية.

تعتمد الساعات الأكثر دقة اليوم على مجموعات محاصرة بصريًا من الذرات مثل السترونتيوم أو الإيتربيوم. الليزر عالي الثبات مقيد بالرنين مع ترددات انتقالات ذرية محددة ، وتتصرف اهتزازات الليزر بشكل فعال مثل تأرجح البندول - وإن كان ذلك بترددات أعلى بكثير وبالتالي دقة أكبر. يمكن أن تكون هذه الساعات مستقرة في حدود جزء واحد في 1²⁰، مما يعني أنهم سيخرجون بمقدار 10 مللي ثانية فقط بعد 13.7 مليار سنة من التشغيل - عمر الكون.

الساعات الذرية ليست مجرد أدوات ضبط وقت رائعة ، فقد استخدمها علماء الفيزياء لدراسة مجموعة من الظواهر الأساسية مثل كيفية تطبيق نظرية النسبية العامة لأينشتاين على الذرات المحصورة في الفخاخ الضوئية. بحثًا عن دقة أكبر ورؤى أعمق ، في عام 2003 إيكيهارد بيك وكريستيان تام من Physikalisch-technische Bundesanstalt في براونشفايغ بألمانيا اقترح أنه يمكن إنتاج ساعة من خلال استجواب ليس مستويات الطاقة الإلكترونية للذرات ولكن مستويات الطاقة النووية.

هوائي أصغر بكثير

مثل هذه الساعة النووية ستكون معزولة بشكل جيد للغاية عن الضوضاء الخارجية. "الذرة هي شيء مثل 10^-10 م [عبر] ؛ النواة هي شيء مثل 10^-14 أو 10^-15 م "، يشرح ساندرو كريمر KU Leuven في بلجيكا ، الذي شارك في هذا البحث الأخير. "النواة هي هوائي أصغر بكثير للبيئة وبالتالي فهي أقل عرضة للتحولات."

لذلك قد تكون الساعة النووية مسبارًا ممتازًا للتغيرات الزمنية الافتراضية الصغيرة جدًا في قيم الثوابت الأساسية مثل ثابت البنية الدقيقة ، والذي يحدد قوة التفاعل الكهرومغناطيسي. قد تشير أي تغييرات من هذا القبيل إلى فيزياء تتجاوز النموذج القياسي. علاوة على ذلك ، فإن الارتباط النووي أقوى من نظيره الذري ، وبالتالي فإن التحولات بين مستويات الطاقة تكون أعلى في الطاقة وستكون متناغمة مع أشعة الليزر ذات التردد العالي ، مما يجعل التغيير الأصغر قابلاً للاكتشاف.

ومع ذلك ، فإن هذا سيف ذو حدين ، حيث أن معظم التحولات النووية تحدث ترددات أعلى بكثير مما يمكن إنتاجه بواسطة ليزر اليوم. ومع ذلك ، فإن الثوريوم -229 لديه حالة مثارة مستقرة حول 8 فولت فوق مستوى الأرض - وهو انتقال يكمن في الفراغ فوق البنفسجي.

مناسب للإثارة

يوضح كريمر أن بناء ليزر لإثارة هذه الحالة يجب أن يكون ممكنًا تقريبًا ، "من بين 3000 أو نحو ذلك من النوى المشعة التي نعرفها اليوم ، الثوريوم هو الوحيد الذي نعرفه وله حالة مناسبة لإثارة الليزر".

أولاً ، ومع ذلك ، يحتاج الباحثون إلى معرفة التواتر الدقيق لعملية الانتقال. في الواقع ، تم التنبؤ بالتحلل منذ فترة طويلة من خلال النظرية ، لكن محاولات الكشف عن الفوتون المنبعث أثبتت فشلها. في عام 2016 ، ومع ذلك ، فإن الباحثين في جامعة لودفيج ماكسيميليان في ميونيخ بشكل غير مباشر أكد وجودها عن طريق قياس انبعاث الإلكترونات في عملية تسمى التحويل الداخلي ، حيث تقوم طاقة الاضمحلال النووي بتأين الذرة.

يقيس الفيزيائيون الطاقة في أدنى حالة من الإثارة النووية

الآن ، قام كريمر وزملاؤه بأول اكتشاف مباشر للفوتونات فوق البنفسجية المنبعثة من الفراغ من خلال دراسة أيونات الثوريوم -229 المُثارة. يقول كريمر إن الفكرة الأساسية ليست جديدة ، ولكن حاول الباحثون سابقًا القيام بذلك عن طريق زرع اليورانيوم -233 في بلورات ، والتي يمكن أن تتحلل إلى الثوريوم -229 المُثار. المشكلة ، كما يقول كريمر ، هي أن هذا يطلق أكثر من 4 ميجا إلكترون فولت من الطاقة في البلورة ، وهو "مفيد لقتل السرطان ، ولكنه سيء ​​حقًا لنا" لأنه يضر البلورة ويتداخل مع خصائصه الضوئية.

لذلك ، في العمل الجديد ، استخدم الباحثون منشأة ISOLDE التابعة لـ CERN لزرع أيونات الأكتينيوم -229 في بلورات فلوريد المغنيسيوم وفلوريد الكالسيوم. يمكن أن تتحلل هذه إلى نواة الثوريوم 229 المثارة المنتشرة عن طريق تحلل β ، مما يؤدي إلى إطلاق أربعة أوامر أقل من الطاقة في البلورة. لذلك يمكن للباحثين اكتشاف الفوتونات وقياس الطاقة الانتقالية. الدقة النهائية لا تزال أقل بكثير من عدم اليقين اللازم لبناء ساعة ، ويعمل الباحثون الآن مع فيزياء الليزر لتحسين ذلك.

كايل بيلوي من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا أعجب بالقياس. يقول: "هناك إمكانات كبيرة جدًا لنظام الثوريوم 229 كساعة نووية ، وأكثر من ذلك لإجراء اختبارات للفيزياء الأساسية في نهاية المطاف". "في هذا [العمل] ، يلاحظون الفوتون أثناء انبعاثه من الحالة المثارة وصولاً إلى الحالة الأساسية ، وفي النهاية هدف المجتمع هنا هو القيام بالعكس. النطاق الضيق للترددات التي ستمتصها النواة يكون في حدود الملي هيرتز ، في حين أننا نعرف جيدًا أن هذا في حدود 10¹² هرتز ، إنها مثل إبرة في كومة قش ، وما فعلوه أساسًا هو تقليل حجم كومة القش بمقدار سبعة أضعاف. هذه خطوة كبيرة إلى الأمام لأي شخص يبحث لإثارة عملية الانتقال ".

تم وصف البحث في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• أفلاطونايستريم. ذكاء بيانات Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• سك المستقبل مع أدرين أشلي. الوصول هنا.
• شراء وبيع الأسهم في شركات ما قبل الاكتتاب مع PREIPO®. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/