Foton dari transisi jam nuklir akhirnya terlihat – Dunia Fisika

Foton dari transisi jam nuklir akhirnya terlihat – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 2 Juni 2023 6

ISOLDE di CERN
Garis pancaran nuklida: ISOLDE di CERN dilihat dari atas (Sumber: CERN)

Pengukuran langsung pertama telah dilakukan terhadap transisi nuklir thorium-229 yang berpotensi menjadi dasar “jam nuklir”. Dilakukan di CERN, penelitian ini mengikuti eksperimen tahun 2016 yang mengkonfirmasi keberadaan transisi tetapi tidak mendeteksi emisi foton yang dihasilkan. Masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan sebelum jam kerja dapat diproduksi, namun jika alat tersebut terbukti memungkinkan, maka alat tersebut dapat menjadi alat penting untuk penelitian fisika fundamental.

Jam paling akurat saat ini didasarkan pada kumpulan atom yang terperangkap secara optik seperti strontium atau ytterbium. Laser yang sangat stabil terkunci dalam resonansi dengan frekuensi transisi atom tertentu, dan osilasi laser secara efektif berperilaku seperti ayunan pendulum – meskipun dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi sehingga presisi lebih tinggi. Jam ini dapat stabil dalam 1 bagian dalam 1020, yang berarti mereka hanya akan berjarak 10 ms setelah 13.7 miliar tahun beroperasi – usia alam semesta.

Jam atom bukan sekadar pencatat waktu yang hebat, fisikawan telah menggunakannya untuk mempelajari berbagai fenomena mendasar seperti bagaimana teori relativitas umum Einstein diterapkan pada atom yang terkurung dalam perangkap optik. Mencari ketepatan yang lebih besar dan wawasan yang lebih dalam, pada tahun 2003 Ekkehard Peik dan Christian Tamm dari Physikalisch-technische Bundesanstalt di Braunschweig, Jerman mengusulkan bahwa jam dapat diproduksi dengan menginterogasi bukan tingkat energi elektronik atom tetapi tingkat energi nuklir.

Antena jauh lebih kecil

Jam nuklir seperti itu akan terisolasi dengan baik dari kebisingan eksternal. “Sebuah atom adalah sesuatu seperti 10-10 m [seberang]; inti adalah sesuatu seperti 10-14 atau 10-15 m,” jelasnya Sandro Kraemer dari KU Leuven di Belgia, yang terlibat dalam penelitian terbaru ini. “Intinya adalah antena yang jauh lebih kecil bagi lingkungan sehingga lebih kecil kemungkinannya terhadap pergeseran.”

Oleh karena itu, jam nuklir mungkin merupakan penyelidikan yang sangat baik terhadap variasi temporal hipotetis yang sangat kecil dalam nilai konstanta fundamental seperti konstanta struktur halus, yang mengukur kekuatan interaksi elektromagnetik. Perubahan apa pun akan menunjukkan fisika di luar Model Standar. Selain itu, ikatan nuklir lebih kuat dibandingkan ikatan atomnya, sehingga pergeseran antar tingkat energi memiliki energi yang lebih tinggi dan akan beresonansi dengan laser frekuensi tinggi, sehingga perubahan yang lebih kecil dapat dideteksi.

Namun, ini adalah pedang bermata dua, karena sebagian besar transisi nuklir terjadi pada frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada yang dapat dihasilkan oleh laser saat ini. Thorium-229, bagaimanapun, memiliki keadaan tereksitasi metastabil sekitar 8 eV di atas keadaan dasar – sebuah transisi yang terletak pada vakum ultraviolet.

Cocok untuk eksitasi

Kraemer menjelaskan bahwa membuat laser untuk merangsang keadaan ini seharusnya bisa dilakukan, “Dari sekitar 3000 radionuklei yang kita kenal saat ini, thorium adalah satu-satunya yang kita tahu yang memiliki keadaan yang cocok untuk eksitasi laser”.

Namun, pertama-tama, peneliti perlu mengetahui frekuensi transisi yang tepat. Memang, peluruhan telah lama diprediksi secara teori, namun upaya untuk mendeteksi foton yang dipancarkan terbukti tidak berhasil. Namun pada tahun 2016, peneliti di Ludwig Maximilian University of Munich secara tidak langsung mengkonfirmasi keberadaannya dengan mengukur emisi elektron dalam proses yang disebut konversi internal, di mana energi peluruhan nuklir mengionisasi atom.

Kini, Kraemer dan rekannya telah melakukan deteksi langsung pertama terhadap emisi foton ultraviolet vakum dengan mempelajari ion thorium-229 yang tereksitasi. Ide dasarnya bukanlah hal baru, kata Kraemer, namun para peneliti sebelumnya telah mencoba melakukan hal ini dengan menanamkan uranium-233 ke dalam kristal, yang dapat meluruh menjadi thorium-229 yang tereksitasi. Masalahnya, kata Kraemer, hal ini melepaskan lebih dari 4 MeV energi ke dalam kristal, yang “baik untuk membunuh kanker, namun sangat buruk bagi kita” karena merusak kristal, mengganggu sifat optiknya.

Oleh karena itu, dalam penelitian baru ini, para peneliti menggunakan fasilitas ISOLDE CERN untuk menanamkan ion aktinium-229 ke dalam kristal magnesium fluorida dan kalsium fluorida. Ini dapat meluruh menjadi inti thorium-229 tereksitasi metastabil melalui peluruhan β, yang melepaskan energi empat kali lipat lebih kecil ke dalam kristal. Oleh karena itu, para peneliti dapat mendeteksi foton dan mengukur energi transisi. Ketepatan akhir masih jauh dari ketidakpastian yang diperlukan untuk membuat sebuah jam, dan para peneliti sekarang bekerja sama dengan fisikawan laser untuk menyempurnakannya.

Kyle Beloy dari Institut Standar dan Teknologi Nasional AS terkesan dengan pengukuran tersebut. “Ada potensi yang sangat signifikan untuk sistem thorium-229 ini sebagai jam nuklir dan terlebih lagi untuk melakukan uji fisika fundamental pada akhirnya,” katanya. “Dalam [pekerjaan] ini, mereka mengamati foton yang dipancarkan dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar, dan pada akhirnya tujuan komunitas di sini adalah melakukan hal sebaliknya. Pita frekuensi sempit yang akan diserap inti berada pada orde milihertz, sedangkan seberapa baik kita mengetahuinya berada pada orde 10.12 Hz, jadi ini seperti jarum di tumpukan jerami, dan pada dasarnya apa yang mereka lakukan adalah mengurangi ukuran tumpukan jerami sebanyak tujuh kali lipat. Ini adalah langkah maju yang besar bagi siapa pun yang ingin menggairahkan transisi ini.”

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Alam.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika