פוטונים ממעבר שעון גרעיני נראים סוף סוף - עולם הפיזיקה

המדידה הישירה הראשונה נעשתה של מעבר גרעיני תוריום-229 שעלול להוות בסיס ל"שעון גרעיני". המחקר נעשה ב-CERN, בעקבות ניסוי משנת 2016 שאישר את קיומו של המעבר אך לא זיהה את הפוטון שנפלט כתוצאה מכך. עבודה רבה נותרה לפני שניתן יהיה לייצר שעון עובד, אבל אם מכשיר כזה יתברר כאפשרי, הוא עשוי להוות כלי חשוב למחקר בפיזיקה בסיסית.

השעונים המדויקים ביותר כיום מבוססים על אסמבלים כלואים אופטית של אטומים כגון סטרונציום או איטרביום. לייזרים יציבים מאוד נעולים לתהודה עם התדרים של מעברים אטומיים ספציפיים, ותנודות הלייזר מתנהגות ביעילות כמו תנודות מטוטלת - אם כי בתדרים גבוהים בהרבה ולכן דיוק רב יותר. שעונים אלה יכולים להיות יציבים בטווח של חלק אחד מתוך 1²⁰, מה שאומר שהם ייצאו ב-10 אלפיות השנייה בלבד לאחר 13.7 מיליארד שנות פעילות - עידן היקום.

שעונים אטומיים הם לא רק שומרי זמן מצוינים, פיזיקאים השתמשו בהם כדי לחקור מגוון של תופעות בסיסיות כמו כיצד תורת היחסות הכללית של איינשטיין חלה על אטומים הכלואים במלכודות אופטיות. בחיפוש אחר דיוק גדול יותר ותובנות עמוקות יותר, בשנת 2003 אקקהרד פייק וכריסטיאן טאם מ-Physikalisch-technische Bundesanstalt בבראונשוויג, גרמניה הציעו שניתן לייצר שעון על ידי חקירה לא של רמות אנרגיה אלקטרונית של אטומים אלא רמות אנרגיה גרעינית.

אנטנה קטנה בהרבה

שעון גרעיני כזה יהיה מבודד היטב מרעש חיצוני. "אטום הוא משהו כמו 10^-10 מ [ברוחב]; גרעין הוא משהו כמו 10^-14 או 10^-15 מ", מסביר סנדרו קרימר מ-KU Leuven בבלגיה, שהיה מעורב במחקר האחרון הזה. "הגרעין הוא אנטנה הרבה יותר קטנה עבור הסביבה ולכן הוא הרבה פחות נוטה לתזוזות."

לכן שעון גרעיני עשוי להיות בדיקה מצוינת של שינויים זמניים היפותטיים זעירים מאוד בערכי הקבועים הבסיסיים כגון קבוע המבנה העדין, המכמת את עוצמת האינטראקציה האלקטרומגנטית. כל שינוי כזה יצביע על פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי. יתר על כן, הקישור הגרעיני חזק יותר ממקבילו האטומי, כך שהשינויים בין רמות האנרגיה גבוהים יותר באנרגיה ויהוו תהודה עם לייזרים בתדר גבוה יותר, מה שהופך שינוי קטן יותר לזיהוי.

עם זאת, זוהי חרב פיפיות, מכיוון שרוב המעברים הגרעיניים מתרחשים בתדרים גבוהים בהרבה ממה שניתן לייצר על ידי הלייזרים של היום. ל- Thorium-229, לעומת זאת, יש מצב נרגש גרם-יציב בסביבות 8 eV מעל מצב הקרקע - מעבר שנמצא באולטרה-סגול בוואקום.

מתאים לעירור

קרימר מסביר שבניית לייזר כדי לעורר מצב זה אמורה להיות אפשרית כמעט, "מתוך 3000 גרעינים רדיו לערך שאנו מכירים כיום, תוריום הוא היחיד שאנו מכירים שיש לו מצב המתאים לעירור לייזר".

אולם ראשית, החוקרים צריכים לדעת את התדירות המדויקת של המעבר. אכן, הריקבון נחזה זה מכבר על ידי תיאוריה, אך ניסיונות לזהות את הפוטון שנפלט הוכיחו את עצמם ככשלים. בשנת 2016, לעומת זאת, חוקרים מאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן בעקיפין אישר את קיומו על ידי מדידת פליטת אלקטרונים בתהליך הנקרא המרה פנימית, שבו אנרגיית ההתפרקות הגרעינית מייננת את האטום.

פיזיקאים מודדים אנרגיה של המצב הנגרר הגרעיני הנמוך ביותר

כעת, קרימר ועמיתיו ביצעו את הזיהוי הישיר הראשון של הפוטונים האולטרה-סגולים הנפלטים בוואקום על ידי חקר יוני תוריום-229 נרגשים. הרעיון הבסיסי אינו חדש, אומר קרימר, אך בעבר ניסו חוקרים לעשות זאת על ידי השתלת אורניום-233 לתוך גבישים, שיכולים להתפרק לתוריום-229 הנרגש. הבעיה, אומר קרימר, היא שזה משחרר למעלה מ-4 MeV של אנרגיה לתוך הגביש, וזה "טוב להרוג סרטן, אבל ממש רע עבורנו", מכיוון שהוא פוגע בגביש, ומפריע לתכונות האופטיות שלו.

לפיכך, בעבודה החדשה השתמשו החוקרים במתקן ISOLDE של CERN כדי להשתיל יוני אקטיניום-229 לתוך גבישי מגנזיום פלואוריד וסידן פלואוריד. אלה יכולים להתפרק לגרעין התוריום-229 המעורב בגרעין יציבים על ידי ריקבון β, המשחרר ארבעה סדרי גודל פחות אנרגיה לתוך הגביש. החוקרים יכלו אפוא לזהות את הפוטונים ולמדוד את אנרגיית המעבר. הדיוק הסופי עדיין קצר בהרבה מחוסר הוודאות הדרושה לבניית שעון, והחוקרים עובדים כעת עם פיזיקאים לייזר כדי לחדד זאת.

קייל בלו של המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארה"ב מתרשם מהמדידה. "יש פוטנציאל משמעותי מאוד למערכת התוריום-229 הזו כשעון גרעיני ועוד יותר מכך לבצע בדיקות של פיזיקה בסיסית בסופו של דבר", הוא אומר. "בעבודה זו הם צופים בפוטון כפי שהוא נפלט מהמצב הנרגש עד למצב הקרקע, ובסופו של דבר המטרה של הקהילה כאן היא לעשות הפוך. פס התדרים הצר שהגרעין יספוג הוא בסדר גודל של מילי-הרץ, בעוד כמה טוב אנחנו יודעים שזה בסדר גודל של 10¹² הרץ, אז זה כמו מחט בערימת שחת, ובעצם מה שהם עשו זה להקטין את גודל ערימת השחת בפקטור שבע. זה צעד גדול קדימה עבור כל מי שמחפש לרגש את המעבר".

המחקר מתואר ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• קנה ומכירה של מניות בחברות PRE-IPO עם PREIPO®. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/