فوتون های حاصل از انتقال ساعت هسته ای در نهایت دیده می شوند - دنیای فیزیک

اولین اندازه گیری مستقیم از انتقال هسته ای توریم-229 انجام شده است که به طور بالقوه می تواند پایه ای برای یک "ساعت هسته ای" باشد. این تحقیق که در CERN انجام شد، به دنبال آزمایشی در سال 2016 است که وجود انتقال را تأیید کرد اما فوتون ساطع شده حاصل را شناسایی نکرد. کارهای زیادی قبل از تولید یک ساعت کار باقی می ماند، اما اگر چنین وسیله ای امکان پذیر باشد، می تواند ابزار مهمی برای تحقیق در فیزیک بنیادی باشد.

دقیق‌ترین ساعت‌های امروزی بر اساس مجموعه‌ای از اتم‌های به دام افتاده نوری مانند استرانسیم یا ایتربیوم هستند. لیزرهای بسیار پایدار در رزونانس با فرکانس های انتقال اتمی خاص قفل می شوند و نوسانات لیزر به طور موثر مانند نوسانات آونگ عمل می کنند - البته با فرکانس های بسیار بالاتر و در نتیجه دقت بیشتر. این ساعت ها می توانند تا 1 قسمت در 10 پایدار باشند²⁰که به این معنی است که آنها پس از 10 میلیارد سال کار - عصر کیهان - تنها با 13.7 میلی ثانیه از بین خواهند رفت.

ساعت‌های اتمی فقط زمان‌سنج‌های بزرگی نیستند، فیزیکدانان از آن‌ها برای مطالعه طیف وسیعی از پدیده‌های بنیادی مانند نحوه اعمال نظریه نسبیت عام اینشتین برای اتم‌های محصور در تله‌های نوری استفاده کرده‌اند. در جستجوی دقت بیشتر و بینش عمیق تر، در سال 2003 اککهارد پیک و کریستین تام از Physikalisch-technische Bundesanstalt در براونشوایگ، آلمان پیشنهاد کردند که یک ساعت را می توان نه با بررسی سطوح انرژی الکترونیکی اتم ها، بلکه سطوح انرژی هسته ای تولید کرد.

آنتن بسیار کوچکتر

چنین ساعت هسته ای به خوبی از نویز خارجی جدا می شود. یک اتم چیزی شبیه به 10 است^-10 متر [در عرض]؛ یک هسته چیزی شبیه به 10 است^-14 یا 10^-15 m، توضیح می دهد ساندرو کریمر از KU Leuven در بلژیک، که در این تحقیق اخیر شرکت داشت. "هسته آنتن بسیار کوچکتری برای محیط است و بنابراین بسیار کمتر مستعد جابجایی است."

بنابراین، یک ساعت هسته‌ای ممکن است یک کاوشگر عالی برای تغییرات زمانی فرضی و بسیار کوچک در مقادیر ثابت‌های بنیادی مانند ثابت ساختار ظریف، که قدرت برهمکنش الکترومغناطیسی را کمیت می‌کند، باشد. چنین تغییراتی به فیزیک فراتر از مدل استاندارد اشاره می کند. علاوه بر این، اتصال هسته‌ای قوی‌تر از همتای اتمی‌اش است، بنابراین جابه‌جایی بین سطوح انرژی از نظر انرژی بالاتر است و با لیزرهای فرکانس بالاتر تشدید می‌شود و تغییرات کوچک‌تری قابل تشخیص است.

با این حال، این یک شمشیر دو لبه است، زیرا اغلب انتقال‌های هسته‌ای با فرکانس‌های بسیار بالاتری نسبت به لیزرهای امروزی انجام می‌شوند. توریم-229، با این حال، یک حالت برانگیختگی متاپایدار در حدود 8 eV بالاتر از حالت پایه دارد - انتقالی که در خلاء فرابنفش قرار دارد.

مناسب برای تحریک

کریمر توضیح می‌دهد که ساختن لیزری برای برانگیختن این حالت تقریباً باید امکان‌پذیر باشد، «از حدود 3000 رادیونوکلئویی که امروزه می‌شناسیم، توریم تنها موردی است که می‌دانیم دارای حالتی مناسب برای تحریک لیزر است».

با این حال، ابتدا محققان باید فرکانس دقیق انتقال را بدانند. در واقع، واپاشی مدت‌ها توسط تئوری پیش‌بینی شده بود، اما تلاش‌ها برای شناسایی فوتون ساطع شده ناموفق بود. اما در سال 2016، محققان دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ به طور غیرمستقیم وجود آن را تایید کرد با اندازه گیری گسیل الکترون ها در فرآیندی به نام تبدیل داخلی، که در آن انرژی فروپاشی هسته ای اتم را یونیزه می کند.

فیزیکدانان انرژی پایین ترین حالت برانگیخته هسته ای را اندازه گیری می کنند

اکنون، کریمر و همکارانش اولین تشخیص مستقیم فوتون های فرابنفش خلاء ساطع شده را با مطالعه یون های توریم-229 برانگیخته انجام داده اند. کریمر می‌گوید ایده اصلی جدید نیست، اما قبلاً محققان سعی کرده‌اند این کار را با کاشت اورانیوم 233 در کریستال‌ها انجام دهند که می‌تواند به توریم 229 برانگیخته شود. کریمر می‌گوید مشکل این است که بیش از 4 مگا ولت انرژی به کریستال آزاد می‌کند که «برای کشتن سرطان خوب است، اما برای ما واقعاً بد است» زیرا به کریستال آسیب می‌رساند و با خواص نوری آن تداخل می‌کند.

بنابراین، در کار جدید، محققان از امکانات ISOLDE CERN برای کاشت یون‌های اکتینیوم-229 در کریستال‌های فلوراید منیزیم و فلوراید کلسیم استفاده کردند. اینها می توانند با واپاشی β به هسته توریم-229 برانگیخته ناپایدار تجزیه شوند که چهار مرتبه قدر انرژی کمتری را در کریستال آزاد می کند. بنابراین محققان می توانند فوتون ها را شناسایی کرده و انرژی گذار را اندازه گیری کنند. دقت نهایی هنوز از عدم قطعیت مورد نیاز برای ساخت یک ساعت بسیار کوتاه است، و محققان اکنون با فیزیکدانان لیزر برای اصلاح این موضوع کار می کنند.

کایل بلوی موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده تحت تأثیر این اندازه گیری قرار گرفته است. او می‌گوید: «پتانسیل بسیار قابل توجهی برای این سامانه توریم-229 به عنوان یک ساعت هسته‌ای و حتی بیشتر از آن برای انجام آزمایش‌های فیزیک بنیادی در نهایت وجود دارد». «در این [کار]، آنها یک فوتون را مشاهده می‌کنند که از حالت برانگیخته به حالت پایه گسیل می‌شود، و در نهایت هدف جامعه در اینجا انجام معکوس است. باند باریکی از فرکانس هایی که هسته جذب می کند در حد میلی هرتز است، در حالی که چقدر خوب می دانیم که در مرتبه 10 است.¹² هرتز، بنابراین مانند یک سوزن در انبار کاه است، و اساساً کاری که آنها انجام داده اند این است که اندازه انبار کاه را هفت برابر کاهش داده اند. این یک گام بزرگ به جلو برای هر کسی است که در جستجوی هیجان‌انگیز کردن این انتقال است.»

تحقیق در شرح داده شده است طبیعت.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• ضرب کردن آینده با آدرین اشلی. دسترسی به اینجا.
• خرید و فروش سهام در شرکت های PRE-IPO با PREIPO®. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/