Ydinkellon muutoksen fotonit nähdään vihdoinkin – Physics World

Ensimmäinen suora mittaus on tehty torium-229 ydinsiirtymästä, joka voisi mahdollisesti muodostaa perustan "ydinkellolle". CERNissä tehty tutkimus seuraa vuoden 2016 koetta, joka vahvisti siirtymän olemassaolon, mutta ei havainnut tuloksena olevaa emittoitua fotonia. Paljon työtä on jäljellä ennen kuin toimiva kello voidaan tuottaa, mutta jos tällainen laite osoittautuu mahdolliseksi, se voi osoittautua tärkeäksi työkaluksi perusfysiikan tutkimukseen.

Nykyään tarkimmat kellot perustuvat optisesti loukkuun jääneisiin atomiryhmiin, kuten strontiumiin tai ytterbiumiin. Erittäin vakaat laserit on lukittu resonanssiin tiettyjen atomisiirtymien taajuuksien kanssa, ja laservärähtelyt toimivat tehokkaasti heilurin heilahteluina – vaikkakin paljon korkeammilla taajuuksilla ja siten tarkemmalla. Nämä kellot voivat olla vakaita 1 osan 10 tarkkuudella²⁰, mikä tarkoittaa, että ne häviävät vain 10 ms 13.7 miljardin vuoden käytön jälkeen – maailmankaikkeuden ikä.

Atomikellot eivät ole vain loistavia ajanottajia, vaan fyysikot ovat käyttäneet niitä tutkiessaan erilaisia ​​perusilmiöitä, kuten kuinka Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria koskee atomeja, jotka on suljettu optisiin ansoihin. Yhä suurempaa tarkkuutta ja syvempiä oivalluksia etsiessään vuonna 2003 Ekkehard Peik ja Christian Tamm Physikalisch-technische Bundesanstaltista Braunschweigissa, Saksassa, ehdottivat, että kello voitaisiin valmistaa tutkimalla atomien elektronisia energiatasoja vaan ydinenergiatasoja.

Paljon pienempi antenni

Tällainen ydinkello olisi erittäin hyvin eristetty ulkoisesta melusta. "Atomi on jotain 10^-10 m [poikki]; ydin on jotain 10^-14 tai 10^-15 m", selittää Sandro Kraemer Belgian KU Leuvenista, joka oli mukana tässä viimeisimmässä tutkimuksessa. "Ydin on paljon pienempi antenni ympäristölle ja on siten paljon vähemmän altis siirtymille."

Ydinkello voi siksi olla erinomainen anturi hypoteettisille, hyvin pienille ajallisille vaihteluille perusvakioiden arvoissa, kuten hieno rakennevakio, joka kvantifioi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuutta. Kaikki tällaiset muutokset viittaisivat standardimallia pidemmälle fysiikkaan. Lisäksi ydinsidos on voimakkaampi kuin sen atomivastine, joten energiatasojen väliset siirtymät ovat energialtaan korkeampia ja resonoivat korkeataajuisten lasereiden kanssa, mikä tekee pienemmän muutoksen havaittavissa.

Tämä on kuitenkin kaksiteräinen miekka, koska useimmat ydinsiirtymät tapahtuvat paljon korkeammilla taajuuksilla kuin nykypäivän laserit pystyvät tuottamaan. Torium-229:llä on kuitenkin metastabiili viritystila noin 8 eV perustilan yläpuolella – siirtymä, joka sijaitsee tyhjiöultravioletissa.

Sopii virittämiseen

Kraemer selittää, että laserin rakentamisen tämän tilan virittämiseksi pitäisi olla melkein mahdollista: "Näiden 3000 radioytimestä, jotka tunnemme nykyään, torium on ainoa, jonka tiedämme, että sen tila on sopiva laserviritykseen".

Ensin tutkijoiden on kuitenkin tiedettävä siirtymän tarkka taajuus. Itse asiassa, hajoaminen oli jo pitkään ennustettu teoriassa, mutta yritykset havaita emittoitunut fotoni olivat osoittautuneet epäonnistuneiksi. Vuonna 2016 Münchenin Ludwig Maximilianin yliopiston tutkijat kuitenkin epäsuorasti vahvisti olemassaolonsa mittaamalla elektronien emissio prosessissa, jota kutsutaan sisäiseksi konversioksi, jossa ytimen hajoamisen energia ionisoi atomin.

Fyysikot mittaavat alimman ydinvirittyneen tilan energiaa

Nyt Kraemer ja kollegat ovat tehneet ensimmäisen suoran havaitsemisen emittoituneista ultraviolettifotoneista tyhjiössä tutkimalla virittyneitä torium-229-ioneja. Taustalla oleva idea ei ole uusi, Kraemer sanoo, mutta aiemmin tutkijat ovat yrittäneet tehdä tämän istuttamalla uraani-233:a kiteisiin, jotka voivat hajota kiihtyneeksi torium-229:ksi. Kraemer sanoo, että ongelmana on, että tämä vapauttaa yli 4 MeV energiaa kiteen, mikä "on hyvä tappamaan syöpää, mutta todella huono meille", koska se vahingoittaa kristallia ja häiritsee sen optisia ominaisuuksia.

Siksi uudessa työssä tutkijat käyttivät CERNin ISOLDE-laitteistoa aktinium-229-ionien istuttamiseen magnesiumfluoridi- ja kalsiumfluoridikiteisiin. Nämä voivat hajota metastabiiliin virittyneeseen torium-229-ytimeen β-hajoamisen kautta, mikä vapauttaa neljä suuruusluokkaa vähemmän energiaa kiteen. Siksi tutkijat pystyivät havaitsemaan fotonit ja mittaamaan siirtymäenergiaa. Lopullinen tarkkuus on vielä kaukana kellon rakentamiseen tarvittavasta epävarmuudesta, ja tutkijat työskentelevät nyt laserfyysikkojen kanssa tämän tarkentamiseksi.

Kyle Beloy Yhdysvaltain kansallisen standardointi- ja teknologiainstituutin edustaja on vaikuttunut mittauksesta. "Tällä torium-229-järjestelmällä on erittäin merkittävää potentiaalia ydinkellona ja vielä enemmän perustavanlaatuisten fysiikan testien tekemiseen lopulta", hän sanoo. "Tässä [työssä] he tarkkailevat fotonia, kun se säteilee virittyneestä tilasta perustilaan, ja viime kädessä yhteisön tavoitteena on tehdä päinvastoin. Kapea taajuuskaista, jonka ydin absorboi, on millihertsin luokkaa, kun taas kuinka hyvin tiedämme sen olevan luokkaa 10¹² Hz, joten se on kuin neula heinäsuovasta, ja pohjimmiltaan he ovat tehneet heinäsuovan koon pienentämisen kertoimella seitsemän. Se on iso askel eteenpäin kaikille, jotka haluavat innostaa muutosta."

Tutkimusta kuvataan luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Tulevaisuuden lyöminen Adryenn Ashley. Pääsy tästä.
• Osta ja myy osakkeita PRE-IPO-yhtiöissä PREIPO®:lla. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/