Tuumakella ülemineku footoneid on lõpuks näha – Physics World

Esimene otsene mõõtmine on tehtud toorium-229 tuuma ülemineku kohta, mis võib potentsiaalselt olla "tuumakella" aluseks. CERNis tehtud uuring järgib 2016. aasta eksperimenti, mis kinnitas ülemineku olemasolu, kuid ei tuvastanud sellest tulenevat emiteeritud footonit. Töötava kella tootmiseni on veel palju tööd, kuid kui selline seade osutub võimalikuks, võib see osutuda oluliseks vahendiks fundamentaalfüüsika uurimisel.

Tänapäeva kõige täpsemad kellad põhinevad optiliselt püütud aatomite ansamblitel, nagu strontsium või ütterbium. Väga stabiilsed laserid on lukustatud resonantsi konkreetsete aatomiüleminekute sagedustega ja laservõnkumised käituvad tõhusalt nagu pendli kõikumised – kuigi palju kõrgemate sagedustega ja seetõttu suurema täpsusega. Need kellad võivad olla stabiilsed täpsusega 1 osa 10-st²⁰, mis tähendab, et pärast 10 miljardit aastat töötamist kaovad need vaid 13.7 ms pärast – see on universumi vanus.

Aatomkellad pole lihtsalt suurepärased ajamõõtjad, füüsikud on neid kasutanud mitmesuguste põhinähtuste uurimiseks, näiteks kuidas Einsteini üldine relatiivsusteooria kehtib optilistes lõksudes olevate aatomite suhtes. Üha suuremat täpsust ja sügavamat taipamist otsides, 2003. a Ekkehard Peik ja Christian Tamm Saksamaal Braunschweigis asuvast Physikalisch-technische Bundesanstaltist tegid ettepaneku, et kella saab toota mitte aatomite elektroonilise energiataseme, vaid tuumaenergia taseme küsitlemise teel.

Palju väiksem antenn

Selline tuumakell oleks välismürast äärmiselt hästi isoleeritud. "Aatom on umbes 10^-10 m [risti]; tuum on umbes 10^-14 või 10^-15 m,” selgitab Sandro Kraemer KU Leuvenist Belgias, kes osales selles viimases uuringus. "Tuum on keskkonna jaoks palju väiksem antenn ja seetõttu on see palju vähem altid nihketele."

Tuumakell võib seetõttu olla suurepärane sond hüpoteetiliste, väga väikeste ajaliste variatsioonide jaoks põhikonstantide väärtustes, näiteks peenstruktuurikonstant, mis määrab elektromagnetilise interaktsiooni tugevuse. Kõik sellised muudatused viitavad füüsikale, mis on standardmudelist kaugemale. Veelgi enam, tuuma sidumine on tugevam kui selle aatomi vastane, seega on energiatasemete vahelised nihked energias suuremad ja resonantsid kõrgema sagedusega laseritega, muutes väiksema muutuse tuvastatavaks.

See on aga kahe teraga mõõk, kuna enamik tuumaüleminekuid toimub palju kõrgemal sagedusel, kui tänapäeva laserid suudavad tekitada. Toorium-229 metastabiilne ergastatud olek on aga umbes 8 eV põhiolekust kõrgemal – üleminek, mis asub vaakum-ultravioletis.

Sobib ergastamiseks

Kraemer selgitab, et laseri ehitamine selle oleku ergutamiseks peaks olema peaaegu võimalik: "Praegu teadaolevast umbes 3000 radiotuumast on toorium ainus, mille olek on laserergastuse jaoks sobiv".

Kõigepealt peavad teadlased aga teadma ülemineku täpset sagedust. Tõepoolest, teooria oli lagunemist pikka aega ennustanud, kuid katsed tuvastada kiiratud footonit olid ebaõnnestunud. 2016. aastal aga Müncheni Ludwig Maximiliani ülikooli teadlased kaudselt kinnitas selle olemasolu mõõtes elektronide emissiooni protsessis, mida nimetatakse sisemiseks muundamiseks, mille käigus tuuma lagunemise energia ioniseerib aatomi.

Füüsikud mõõdavad madalaima tuuma ergastatud oleku energiat

Nüüd on Kraemer ja tema kolleegid ergastatud toorium-229 ioone uurides teinud esimese otsese vaakum-ultravioletsete footonite tuvastamise. Alusidee ei ole uus, ütleb Kraemer, kuid varem on teadlased püüdnud seda teha, implanteerides uraan-233 kristallidesse, mis võivad laguneda ergastatud toorium-229-ks. Kraemer ütleb, et probleem seisneb selles, et see vabastab kristalli üle 4 MeV energiat, mis on "vähi tapmiseks hea, kuid meile väga halb", kuna see kahjustab kristalli ja häirib selle optilisi omadusi.

Seetõttu kasutasid teadlased uues töös CERNi ISOLDE rajatist aktiinium-229 ioonide implanteerimiseks magneesiumfluoriidi ja kaltsiumfluoriidi kristallidesse. Need võivad β-lagunemise teel laguneda metastabiilseks ergastatud toorium-229 tuumaks, mis vabastab kristalli neli suurusjärku vähem energiat. Seetõttu võisid teadlased tuvastada footonid ja mõõta üleminekuenergiat. Lõplik täpsus jääb ikka veel kõvasti alla kella ehitamiseks vajaliku määramatuse ja nüüd töötavad teadlased koos laserfüüsikutega selle täpsustamiseks.

Kyle Beloy USA riikliku standardi- ja tehnoloogiainstituudi esindaja on mõõtmisest muljet avaldanud. "Sellel toorium-229 süsteemil on tuumakellana väga märkimisväärne potentsiaal ja veelgi enam, et lõpuks teha fundamentaalfüüsika teste," ütleb ta. "Selles [töös] vaatlevad nad footonit, kui see kiirgub ergastatud olekust põhiolekusse ja lõppkokkuvõttes on siinse kogukonna eesmärk teha vastupidist. Kitsas sagedusriba, mida tuum neelab, on suurusjärgus millihertsi, samas kui hästi me teame, on see suurusjärgus 10¹² Hz, nii et see on nagu nõel heinakuhjas ja sisuliselt on nad heinakuhja suurust seitse korda vähendanud. See on suur samm edasi kõigile, kes soovivad üleminekut ergutada.

Uuringut kirjeldatakse artiklis loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoAiStream. Web3 andmete luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Tuleviku rahapaja Adryenn Ashley. Juurdepääs siia.
• Ostke ja müüge IPO-eelsete ettevõtete aktsiaid koos PREIPO®-ga. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/