Fotoner fra nuklear ur overgang ses langt om længe - Physics World

Fotoner fra nuklear ur overgang ses langt om længe - Physics World

Tidsstempel: 2. juni 2023 kl. 6

ISOLDE hos CERN
Nuklidstrålelinje: ISOLDE ved CERN set fra oven (Courtesy: CERN)

Den første direkte måling er foretaget af en thorium-229 nuklear overgang, der potentielt kan danne grundlag for et "atomur". Udført på CERN, forskningen følger et eksperiment fra 2016, der bekræftede overgangens eksistens, men ikke opdagede den resulterende udsendte foton. Der er meget arbejde tilbage, før et arbejdsur kan fremstilles, men hvis en sådan enhed viser sig at være mulig, kan den vise sig at være et vigtigt værktøj til forskning i fundamental fysik.

De mest nøjagtige ure i dag er baseret på optisk fangede ensembler af atomer såsom strontium eller ytterbium. Meget stabile lasere er låst i resonans med frekvenserne af specifikke atomare overgange, og laseroscillationerne opfører sig effektivt som penduludsving - dog med meget højere frekvenser og derfor større præcision. Disse ure kan være stabile inden for 1 del ud af 1020, hvilket betyder, at de vil være ude med kun 10 ms efter 13.7 milliarder års drift – universets alder.

Atomure er ikke kun gode tidsmålere, fysikere har brugt dem til at studere en række fundamentale fænomener, såsom hvordan Einsteins generelle relativitetsteori gælder for atomer indespærret i optiske fælder. På jagt efter stadig større præcision og dybere indsigt, i 2003 Ekkehard Peik og Christian Tamm fra Physikalisch-technische Bundesanstalt i Braunschweig, Tyskland, foreslog, at et ur kunne fremstilles ved at spørge ikke elektroniske energiniveauer for atomer, men atomenerginiveauer.

Meget mindre antenne

Et sådant nukleart ur ville være ekstremt godt isoleret fra ekstern støj. "Et atom er noget i retning af 10-10 m [på tværs]; en kerne er noget i retning af 10-14 eller 10-15 m,” forklarer Sandro Kraemer fra KU Leuven i Belgien, som var involveret i denne seneste forskning. "Kernen er en meget mindre antenne for miljøet og er derfor meget mindre tilbøjelig til at skifte."

Et nukleart ur kan derfor være en glimrende sonde af hypotetiske, meget små tidsmæssige variationer i værdierne af fundamentale konstanter såsom finstrukturkonstanten, som kvantificerer styrken af ​​den elektromagnetiske interaktion. Enhver sådanne ændringer vil pege på fysik ud over standardmodellen. Desuden er nuklear binding stærkere end dens atomare modstykke, så skift mellem energiniveauer er højere i energi og ville være resonans med højere frekvens lasere, hvilket gør en mindre ændring påviselig.

Dette er dog et tveægget sværd, da de fleste nukleare overgange sker med meget højere frekvenser, end der kan produceres af nutidens lasere. Thorium-229 har dog en metastabil exciteret tilstand omkring 8 eV over grundtilstanden - en overgang, der ligger i vakuumet ultraviolet.

Velegnet til excitation

Kraemer forklarer, at det næsten burde være muligt at bygge en laser til at excitere denne tilstand: "Ud af 3000 eller deromkring radiokerner, vi kender i dag, er thorium den eneste, vi kender, som har en tilstand, der er egnet til laserexcitation".

Først skal forskerne dog kende den nøjagtige hyppighed af overgangen. Faktisk var henfaldet længe blevet forudsagt af teori, men forsøg på at opdage den udsendte foton havde vist sig at være mislykkede. I 2016 dog forskere ved Ludwig Maximilian Universitetet i München indirekte bekræftet dens eksistens ved at måle emissionen af ​​elektroner i en proces kaldet intern omdannelse, hvor energien fra det nukleare henfald ioniserer atomet.

Nu har Kraemer og kolleger foretaget den første direkte påvisning af de udsendte vakuum ultraviolette fotoner ved at studere exciterede thorium-229 ioner. Den bagvedliggende idé er ikke ny, siger Kraemer, men tidligere har forskere forsøgt at gøre dette ved at implantere uranium-233 i krystaller, som kan henfalde til det exciterede thorium-229. Problemet, siger Kraemer, er, at dette frigiver over 4 MeV energi til krystallen, hvilket "er godt til at dræbe kræft, men virkelig dårligt for os", da det beskadiger krystallen og forstyrrer dens optiske egenskaber.

I det nye arbejde brugte forskerne derfor CERNs ISOLDE-anlæg til at implantere actinium-229-ioner i magnesiumfluorid- og calciumfluoridkrystaller. Disse kan henfalde til den metastabile exciterede thorium-229-kerne ved β-henfald, som frigiver fire størrelsesordener mindre energi til krystallen. Forskerne kunne derfor detektere fotonerne og måle overgangsenergien. Den endelige præcision er stadig langt fra den usikkerhed, der skal til for at bygge et ur, og forskerne arbejder nu sammen med laserfysikere for at forfine dette.

Kyle Beloy fra US National Institute for Standards and Technology er imponeret over målingen. "Der er et meget betydeligt potentiale for dette thorium-229-system som et nukleart ur og endnu mere for til sidst at udføre test af grundlæggende fysik," siger han. "I dette [værk] observerer de en foton, som den udsendes fra den exciterede tilstand ned til grundtilstanden, og i sidste ende er målet for fællesskabet her at gøre det omvendte. Det smalle bånd af frekvenser, som kernen vil absorbere, er i størrelsesordenen millihertz, hvorimod hvor godt vi ved, det er i størrelsesordenen 1012 Hz, så det er som en nål i en høstak, og i bund og grund, hvad de har gjort, er at reducere størrelsen af ​​høstakken med en faktor på syv. Det er et stort skridt fremad for alle, der søger at begejstre overgangen."

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden