Los fotones de la transición del reloj nuclear se ven por fin – Physics World

Los fotones de la transición del reloj nuclear se ven por fin – Physics World

Marca de tiempo: 2 de junio de 2023 6:57 a.m.

ISOLDA en el CERN
Línea de luz de nucleidos: ISOLDE en el CERN visto desde arriba (Cortesía: CERN)

Se ha realizado la primera medición directa de una transición nuclear de torio-229 que podría formar la base de un "reloj nuclear". Realizada en el CERN, la investigación sigue a un experimento de 2016 que confirmó la existencia de la transición pero no detectó el fotón emitido resultante. Queda mucho trabajo antes de que se pueda producir un reloj que funcione, pero si tal dispositivo resulta posible, podría convertirse en una herramienta importante para la investigación en física fundamental.

Los relojes más precisos de la actualidad se basan en conjuntos de átomos atrapados ópticamente, como el estroncio o el iterbio. Los láseres altamente estables están bloqueados en resonancia con las frecuencias de transiciones atómicas específicas, y las oscilaciones del láser se comportan efectivamente como oscilaciones de péndulo, aunque con frecuencias mucho más altas y, por lo tanto, con mayor precisión. Estos relojes pueden ser estables dentro de 1 parte en 1020, lo que significa que desaparecerán por solo 10 ms después de 13.7 millones de años de funcionamiento, la edad del universo.

Los relojes atómicos no son solo excelentes cronometradores, los físicos los han utilizado para estudiar una variedad de fenómenos fundamentales, como la aplicación de la teoría general de la relatividad de Einstein a los átomos confinados en trampas ópticas. En busca de una precisión cada vez mayor y conocimientos más profundos, en 2003 Ekkehard Peik y Christian Tamm de Physikalisch-technische Bundesanstalt en Braunschweig, Alemania, propusieron que se podría producir un reloj interrogando no los niveles de energía electrónica de los átomos sino los niveles de energía nuclear.

Antena mucho más pequeña

Tal reloj nuclear estaría extremadamente bien aislado del ruido externo. “Un átomo es algo así como 10-10 m [a través]; un núcleo es algo así como 10-14 o 10-15 m”, explica sandro kraemer de KU Leuven en Bélgica, que participó en esta última investigación. "El núcleo es una antena mucho más pequeña para el medio ambiente y, por lo tanto, es mucho menos propenso a los cambios".

Por lo tanto, un reloj nuclear podría ser una excelente prueba de variaciones temporales hipotéticas muy pequeñas en los valores de las constantes fundamentales, como la constante de estructura fina, que cuantifica la fuerza de la interacción electromagnética. Cualquier cambio de este tipo apuntaría a la física más allá del modelo estándar. Además, la unión nuclear es más fuerte que su contraparte atómica, por lo que los cambios entre los niveles de energía son más altos en energía y resonarían con láseres de mayor frecuencia, lo que haría detectable un cambio más pequeño.

Sin embargo, esta es una espada de doble filo, ya que la mayoría de las transiciones nucleares ocurren a frecuencias mucho más altas que las que pueden producir los láseres actuales. El torio-229, sin embargo, tiene un estado excitado metaestable alrededor de 8 eV por encima del estado fundamental, una transición que se encuentra en el ultravioleta del vacío.

Adecuado para la excitación

Kraemer explica que la construcción de un láser para excitar este estado debería ser casi posible: "De los aproximadamente 3000 radionúcleos que conocemos hoy, el torio es el único que conocemos que tiene un estado adecuado para la excitación del láser".

Primero, sin embargo, los investigadores necesitan saber la frecuencia exacta de la transición. De hecho, la descomposición había sido predicha durante mucho tiempo por la teoría, pero los intentos de detectar el fotón emitido no tuvieron éxito. En 2016, sin embargo, investigadores de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich indirectamente confirmó su existencia midiendo la emisión de electrones en un proceso llamado conversión interna, en el que la energía de la desintegración nuclear ioniza el átomo.

Ahora, Kraemer y sus colegas han realizado la primera detección directa de los fotones ultravioleta del vacío emitidos mediante el estudio de iones de torio-229 excitados. La idea subyacente no es nueva, dice Kraemer, pero anteriormente los investigadores han intentado hacer esto mediante la implantación de uranio-233 en cristales, que pueden descomponerse en el torio-229 excitado. El problema, dice Kraemer, es que esto libera más de 4 MeV de energía en el cristal, lo que "es bueno para matar el cáncer, pero realmente malo para nosotros", ya que daña el cristal e interfiere con sus propiedades ópticas.

Por lo tanto, en el nuevo trabajo, los investigadores utilizaron la instalación ISOLDE del CERN para implantar iones de actinio-229 en cristales de fluoruro de magnesio y fluoruro de calcio. Estos pueden decaer al núcleo de torio-229 excitado metaestable por decaimiento β, que libera cuatro órdenes de magnitud menos de energía en el cristal. Por lo tanto, los investigadores pudieron detectar los fotones y medir la energía de transición. La precisión final aún está muy por debajo de la incertidumbre necesaria para construir un reloj, y los investigadores ahora están trabajando con físicos láser para refinar esto.

kyle beloy del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. está impresionado por la medición. “Hay un potencial muy significativo para este sistema de torio-229 como reloj nuclear y más aún para hacer pruebas de física fundamental con el tiempo”, dice. “En este [trabajo], observan un fotón a medida que se emite desde el estado excitado hasta el estado fundamental y, en última instancia, el objetivo de la comunidad aquí es hacer lo contrario. La estrecha banda de frecuencias que absorberá el núcleo es del orden de milihercios, mientras que lo bien que sabemos que es del orden de 1012 Hz, por lo que es como una aguja en un pajar, y esencialmente lo que han hecho es reducir el tamaño del pajar por un factor de siete. Ese es un gran paso adelante para cualquiera que busque emocionar la transición”.

La investigación se describe en Naturaleza.

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