A nukleáris óraátmenetből származó fotonok végre láthatók – a fizika világa

Az első közvetlen mérést egy tórium-229-es nukleáris átmenetről végezték, amely potenciálisan egy „nukleáris óra” alapját képezheti. A CERN-ben végzett kutatás egy 2016-os kísérletet követ, amely megerősítette az átmenet létezését, de nem észlelte a keletkező kibocsátott fotont. Sok munka van még hátra egy működő óra előállítása előtt, de ha egy ilyen eszköz lehetségesnek bizonyul, az az alapvető fizika kutatásának fontos eszköze lehet.

A legpontosabb órák manapság olyan optikailag bezárt atomcsoportokon alapulnak, mint a stroncium vagy az itterbium. A rendkívül stabil lézerek rezonanciába vannak zárva az egyes atomi átmenetek frekvenciáival, és a lézerrezgések hatékonyan ingalengésekként viselkednek – igaz, sokkal magasabb frekvenciákkal és ezáltal nagyobb pontossággal. Ezek az órák stabilak lehetnek 1:10-hez²⁰, ami azt jelenti, hogy 10 milliárd évnyi működés után mindössze 13.7 ms-ra tűnnek el – ez az univerzum kora.

Az atomórák nemcsak nagyszerű időmérők, a fizikusok számos alapvető jelenség tanulmányozására használták őket, például azt, hogy Einstein általános relativitáselmélete hogyan vonatkozik az optikai csapdákba zárt atomokra. Az egyre nagyobb pontosság és a mélyebb meglátások után kutatva 2003-ban Ekkehard Peik és Christian Tamm, a németországi braunschweigi Physikalisch-technische Bundesanstalt munkatársa azt javasolta, hogy egy órát lehetne előállítani úgy, hogy nem az atomok elektronikus energiaszintjeit, hanem a nukleáris energiaszinteket kérdezik le.

Sokkal kisebb antenna

Egy ilyen nukleáris óra rendkívül jól elkülöníthető lenne a külső zajoktól. „Egy atom olyan, mint a 10^-10 m [kereszt]; az atommag olyan, mint a 10^-14 vagy 10^-15 m” – magyarázza Sandro Kraemer a belgiumi KU Leuven munkatársa, aki részt vett ebben a legújabb kutatásban. "Az atommag sokkal kisebb antenna a környezet számára, és így sokkal kevésbé hajlamos az elmozdulásra."

A nukleáris óra tehát kiváló szonda lehet az alapvető állandók értékeinek hipotetikus, nagyon apró időbeli változásaihoz, például a finom szerkezeti állandóhoz, amely az elektromágneses kölcsönhatás erősségét számszerűsíti. Bármely ilyen változás a standard modellen túlmutató fizikára utalna. Sőt, a nukleáris kötődés erősebb, mint az atomi megfelelője, így az energiaszintek közötti eltolódások nagyobb energiájúak, és rezonálnának a magasabb frekvenciájú lézerekkel, így kisebb változás észlelhető.

Ez azonban kétélű fegyver, mivel a legtöbb nukleáris átmenet sokkal magasabb frekvencián megy végbe, mint amit a mai lézerek elő tudnak állítani. A tórium-229 azonban metastabil gerjesztett állapottal rendelkezik, körülbelül 8 eV-tal az alapállapot felett – ez az átmenet a vákuum ultraibolya sugárzásában rejlik.

Alkalmas gerjesztésre

Kraemer kifejti, hogy ennek az állapotnak a gerjesztésére alkalmas lézer megépítése nagyjából lehetséges lenne: „A ma ismert körülbelül 3000 radionucle közül a tórium az egyetlen, amelyről tudjuk, hogy alkalmas a lézeres gerjesztésre”.

Először azonban a kutatóknak tudniuk kell az átmenet pontos gyakoriságát. Valójában az elmélet már régóta megjósolta a bomlást, de a kibocsátott foton kimutatására tett kísérletek sikertelennek bizonyultak. 2016-ban azonban a müncheni Ludwig Maximilian Egyetem kutatói közvetve megerősítette a létezését az elektronemisszió mérésével egy belső konverziónak nevezett folyamat során, amelyben a magbomlás energiája ionizálja az atomot.

A fizikusok a legalacsonyabb nukleáris gerjesztett állapot energiáját mérik

Most Kraemer és munkatársai a gerjesztett tórium-229 ionok tanulmányozásával végezték el a kibocsátott vákuum ultraibolya fotonok első közvetlen kimutatását. A mögöttes ötlet nem új, mondja Kraemer, de korábban a kutatók ezt úgy próbálták megtenni, hogy urán-233-at ültettek be kristályokba, amelyek a gerjesztett tórium-229-be bomlanak le. A probléma az, mondja Kraemer, hogy ez több mint 4 MeV energiát szabadít fel a kristályba, ami „jó a rák elpusztítására, de nagyon rossz nekünk”, mivel károsítja a kristályt, megzavarva annak optikai tulajdonságait.

Az új munkában ezért a kutatók a CERN ISOLDE létesítményét használták az aktinium-229 ionok magnézium-fluorid és kalcium-fluorid kristályokba történő beültetésére. Ezek β-bomlással a metastabil gerjesztett tórium-229 magba bomlhatnak, ami négy nagyságrenddel kevesebb energiát szabadít fel a kristályba. A kutatók ezért észlelni tudták a fotonokat és mérni tudták az átmeneti energiát. A végső pontosság még mindig jóval elmarad az óra megépítéséhez szükséges bizonytalanságtól, és a kutatók most lézerfizikusokkal dolgoznak ennek finomításán.

Kyle Beloy Az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetének munkatársát lenyűgözte a mérés. „Nagyon jelentős lehetőségek rejlenek ebben a tórium-229-es rendszerben, mint nukleáris óra, és még inkább az alapvető fizikai tesztek elvégzésében” – mondja. „Ebben a munkában egy fotont figyelnek meg, amint az a gerjesztett állapotból az alapállapotig kibocsátódik, és végső soron az itteni közösség célja az ellenkezője. Az a keskeny frekvenciasáv, amelyet az atommag elnyel, millihertz nagyságrendű, miközben tudjuk, hogy ez 10 nagyságrendű.¹² Hz, tehát olyan, mint egy tű a szénakazalban, és lényegében azt csinálták, hogy hétszeresére csökkentették a szénakazal méretét. Ez nagy előrelépést jelent mindazok számára, akik az átállást keresik.”

A kutatás leírása a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoAiStream. Web3 adatintelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• A jövő pénzverése – Adryenn Ashley. Hozzáférés itt.
• Részvények vásárlása és eladása PRE-IPO társaságokban a PREIPO® segítségével. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/