Τα φωτόνια από τη μετάβαση του πυρηνικού ρολογιού φαίνονται επιτέλους - Physics World

Τα φωτόνια από τη μετάβαση του πυρηνικού ρολογιού φαίνονται επιτέλους - Physics World

Χρονική σήμανση: 2 Ιουνίου 2023 6:57 π.μ.

Η ISOLDE στο CERN
Γραμμή δέσμης νουκλεϊδίων: ISOLDE στο CERN όπως φαίνεται από ψηλά (Ευγενική προσφορά: CERN)

Η πρώτη άμεση μέτρηση έγινε για μια πυρηνική μετάπτωση θορίου-229 που θα μπορούσε ενδεχομένως να αποτελέσει τη βάση για ένα «πυρηνικό ρολόι». Έγινε στο CERN, η έρευνα ακολουθεί ένα πείραμα του 2016 που επιβεβαίωσε την ύπαρξη της μετάβασης αλλά δεν ανίχνευσε το προκύπτον εκπεμπόμενο φωτόνιο. Απομένει πολλή δουλειά για να μπορέσει να παραχθεί ένα ρολόι εργασίας, αλλά αν αποδειχθεί δυνατή μια τέτοια συσκευή, θα μπορούσε να αποδειχθεί σημαντικό εργαλείο για την έρευνα στη θεμελιώδη φυσική.

Τα πιο ακριβή ρολόγια σήμερα βασίζονται σε οπτικά παγιδευμένα σύνολα ατόμων όπως το στρόντιο ή το υττέρβιο. Τα εξαιρετικά σταθερά λέιζερ κλειδώνονται σε συντονισμό με τις συχνότητες συγκεκριμένων ατομικών μεταπτώσεων και οι ταλαντώσεις του λέιζερ συμπεριφέρονται αποτελεσματικά σαν ταλαντεύσεις εκκρεμούς – αν και με πολύ υψηλότερες συχνότητες και επομένως μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτά τα ρολόγια μπορούν να είναι σταθερά σε 1 μέρος προς 1020, πράγμα που σημαίνει ότι θα είναι έξω κατά μόλις 10 ms μετά από 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια λειτουργίας - την ηλικία του σύμπαντος.

Τα ατομικά ρολόγια δεν είναι απλώς σπουδαίοι χρονομέτρητες, οι φυσικοί τα έχουν χρησιμοποιήσει για να μελετήσουν μια σειρά θεμελιωδών φαινομένων, όπως το πώς η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν εφαρμόζεται σε άτομα που περιορίζονται σε οπτικές παγίδες. Σε αναζήτηση ολοένα μεγαλύτερης ακρίβειας και βαθύτερων γνώσεων, το 2003 Ekkehard Peik και ο Christian Tamm του Physikalisch-technische Bundesanstalt στο Braunschweig της Γερμανίας πρότειναν ότι ένα ρολόι θα μπορούσε να παραχθεί με την εξέταση όχι των ηλεκτρονικών επιπέδων ενέργειας των ατόμων αλλά των επιπέδων πυρηνικής ενέργειας.

Πολύ μικρότερη κεραία

Ένα τέτοιο πυρηνικό ρολόι θα ήταν εξαιρετικά καλά απομονωμένο από τον εξωτερικό θόρυβο. «Ένα άτομο είναι κάτι σαν 10-10 m [απέναντι]; ένας πυρήνας είναι κάτι σαν 10-14 ή 10-15 μ.», εξηγεί Σάντρο Κράμερ του KU Leuven στο Βέλγιο, ο οποίος συμμετείχε σε αυτή την τελευταία έρευνα. «Ο πυρήνας είναι μια πολύ μικρότερη κεραία για το περιβάλλον και επομένως είναι πολύ λιγότερο επιρρεπής σε μετατοπίσεις».

Ένα πυρηνικό ρολόι μπορεί επομένως να είναι ένας εξαιρετικός ανιχνευτής υποθετικών, πολύ μικροσκοπικών χρονικών διακυμάνσεων στις τιμές των θεμελιωδών σταθερών, όπως η σταθερά της λεπτής δομής, η οποία ποσοτικοποιεί την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Οποιεσδήποτε τέτοιες αλλαγές θα έδειχναν τη φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Επιπλέον, η πυρηνική δέσμευση είναι ισχυρότερη από την ατομική της αντίστοιχη, επομένως οι εναλλαγές μεταξύ των επιπέδων ενέργειας είναι υψηλότερες σε ενέργεια και θα ήταν συντονισμένες με λέιζερ υψηλότερης συχνότητας, καθιστώντας μια μικρότερη αλλαγή ανιχνεύσιμη.

Αυτό είναι ένα δίκοπο μαχαίρι, ωστόσο, καθώς οι περισσότερες πυρηνικές μεταβάσεις συμβαίνουν σε πολύ υψηλότερες συχνότητες από αυτές που μπορούν να παραχθούν από τα σημερινά λέιζερ. Το Thorium-229, ωστόσο, έχει μια μετασταθερή διεγερμένη κατάσταση γύρω στα 8 eV πάνω από τη βασική κατάσταση - μια μετάβαση που βρίσκεται στο υπεριώδες κενό.

Κατάλληλο για διέγερση

Ο Kraemer εξηγεί ότι η κατασκευή ενός λέιζερ για να διεγείρει αυτή την κατάσταση θα πρέπει να είναι σχεδόν δυνατή, «Από τους 3000 περίπου ραδιοπυρήνες που γνωρίζουμε σήμερα, το θόριο είναι το μόνο που γνωρίζουμε ότι έχει μια κατάσταση κατάλληλη για διέγερση με λέιζερ».

Πρώτα, ωστόσο, οι ερευνητές πρέπει να γνωρίζουν την ακριβή συχνότητα της μετάβασης. Πράγματι, η διάσπαση είχε προβλεφθεί εδώ και καιρό από τη θεωρία, αλλά οι προσπάθειες ανίχνευσης του φωτονίου που εκπέμπεται είχαν αποδειχθεί ανεπιτυχείς. Το 2016, ωστόσο, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου έμμεσα επιβεβαίωσε την ύπαρξή του με τη μέτρηση της εκπομπής ηλεκτρονίων σε μια διαδικασία που ονομάζεται εσωτερική μετατροπή, κατά την οποία η ενέργεια της πυρηνικής διάσπασης ιονίζει το άτομο.

Τώρα, ο Kraemer και οι συνεργάτες του έκαναν την πρώτη άμεση ανίχνευση των εκπεμπόμενων υπεριωδών φωτονίων υπό κενό, μελετώντας τα διεγερμένα ιόντα θορίου-229. Η υποκείμενη ιδέα δεν είναι νέα, λέει ο Kraemer, αλλά προηγουμένως οι ερευνητές προσπάθησαν να το κάνουν εμφυτεύοντας ουράνιο-233 σε κρυστάλλους, οι οποίοι μπορούν να διασπαστούν στο διεγερμένο θόριο-229. Το πρόβλημα, λέει ο Kraemer, είναι ότι αυτό απελευθερώνει πάνω από 4 MeV ενέργειας στον κρύσταλλο, κάτι που «είναι καλό για να σκοτώνει τον καρκίνο, αλλά πολύ κακό για εμάς», καθώς καταστρέφει τον κρύσταλλο, παρεμποδίζοντας τις οπτικές του ιδιότητες.

Στη νέα εργασία λοιπόν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την εγκατάσταση ISOLDE του CERN για να εμφυτέψουν ιόντα ακτινίου-229 σε κρυστάλλους φθοριούχου μαγνησίου και φθοριούχου ασβεστίου. Αυτά μπορούν να διασπαστούν στον μετασταθερό διεγερμένο πυρήνα θορίου-229 με β-διάσπαση, η οποία απελευθερώνει τέσσερις τάξεις μεγέθους λιγότερη ενέργεια στον κρύσταλλο. Οι ερευνητές μπορούσαν επομένως να ανιχνεύσουν τα φωτόνια και να μετρήσουν την ενέργεια μετάβασης. Η τελική ακρίβεια είναι ακόμη πολύ μικρή από την αβεβαιότητα που απαιτείται για την κατασκευή ενός ρολογιού και οι ερευνητές εργάζονται τώρα με φυσικούς λέιζερ για να το βελτιώσουν.

Kyle Beloy του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ είναι εντυπωσιασμένος από τη μέτρηση. «Υπάρχει πολύ σημαντική δυνατότητα για αυτό το σύστημα θορίου-229 ως πυρηνικό ρολόι και ακόμη περισσότερο να κάνει δοκιμές θεμελιώδης φυσικής τελικά», λέει. «Σε αυτό το [έργο], παρατηρούν ένα φωτόνιο καθώς εκπέμπεται από τη διεγερμένη κατάσταση προς τη βασική κατάσταση, και τελικά ο στόχος της κοινότητας εδώ είναι να κάνει το αντίστροφο. Η στενή ζώνη συχνοτήτων που θα απορροφήσει ο πυρήνας είναι της τάξης του millihertz, ενώ πόσο καλά γνωρίζουμε ότι είναι της τάξης του 1012 Hz, έτσι είναι σαν μια βελόνα σε μια θημωνιά και ουσιαστικά αυτό που έχουν κάνει είναι να μειώσουν το μέγεθος της θημωνιάς κατά επτά. Αυτό είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός για όποιον ψάχνει να διεγείρει τη μετάβαση».

Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής