Fotonen van de overgang van de nucleaire klok worden eindelijk gezien - Physics World

De eerste directe meting is gedaan van een thorium-229 nucleaire transitie die mogelijk de basis zou kunnen vormen voor een ‘nucleaire klok’. Het onderzoek, uitgevoerd bij CERN, volgt op een experiment uit 2016 dat het bestaan ​​van de transitie bevestigde, maar het resulterende uitgezonden foton niet detecteerde. Er moet nog veel werk worden verricht voordat er een werkende klok kan worden geproduceerd, maar als een dergelijk apparaat mogelijk blijkt te zijn, zou het een belangrijk hulpmiddel kunnen blijken voor onderzoek in de fundamentele natuurkunde.

De meest nauwkeurige klokken van vandaag zijn gebaseerd op optisch gevangen ensembles van atomen zoals strontium of ytterbium. Zeer stabiele lasers worden in resonantie gebracht met de frequenties van specifieke atomaire overgangen, en de laseroscillaties gedragen zich effectief als slingerbewegingen – zij het met veel hogere frequenties en dus met grotere precisie. Deze klokken kunnen stabiel zijn tot binnen 1 deel op 10²⁰, wat betekent dat ze na 10 miljard jaar werking – de leeftijd van het universum – binnen slechts 13.7 ms uit zullen zijn.

Atoomklokken zijn niet alleen geweldige tijdwaarnemers; natuurkundigen hebben ze gebruikt om een ​​reeks fundamentele verschijnselen te bestuderen, zoals hoe Einsteins algemene relativiteitstheorie van toepassing is op atomen die opgesloten zitten in optische vallen. Op zoek naar steeds grotere precisie en diepere inzichten, in 2003 Ekkehard Peik en Christian Tamm van de Physikalisch-technische Bundesanstalt in Braunschweig, Duitsland, stelden voor dat een klok geproduceerd zou kunnen worden door niet de elektronische energieniveaus van atomen, maar de kernenergieniveaus te ondervragen.

Veel kleinere antenne

Zo'n nucleaire klok zou buitengewoon goed geïsoleerd zijn van externe ruis. “Een atoom is zoiets als 10^-10 m [over]; een kern is zoiets als 10^-14 of 10^-15 m”, legt uit Sandro Kraemer van de KU Leuven in België, die betrokken was bij dit laatste onderzoek. “De kern is een veel kleinere antenne voor de omgeving en is dus veel minder gevoelig voor verschuivingen.”

Een nucleaire klok zou daarom een ​​uitstekende sonde kunnen zijn van hypothetische, zeer kleine temporele variaties in de waarden van fundamentele constanten zoals de fijne structuurconstante, die de sterkte van de elektromagnetische interactie kwantificeert. Dergelijke veranderingen zouden wijzen op natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel. Bovendien is nucleaire binding sterker dan zijn atomaire tegenhanger, dus de verschuivingen tussen energieniveaus zijn hoger in energie en zouden resoneren met lasers met een hogere frequentie, waardoor een kleinere verandering detecteerbaar wordt.

Dit is echter een tweesnijdend zwaard, aangezien de meeste nucleaire overgangen plaatsvinden op veel hogere frequenties dan de huidige lasers kunnen produceren. Thorium-229 heeft echter een metastabiele aangeslagen toestand rond 8 eV boven de grondtoestand – een overgang die in het vacuüm-ultraviolet ligt.

Geschikt voor excitatie

Kraemer legt uit dat het bouwen van een laser om deze toestand te stimuleren zo ongeveer mogelijk zou moeten zijn: “Van de ongeveer 3000 radionuclei die we vandaag de dag kennen, is thorium de enige die we kennen die een toestand heeft die geschikt is voor laser-excitatie.”

Eerst moeten onderzoekers echter de exacte frequentie van de transitie weten. Het verval werd inderdaad al lang voorspeld door de theorie, maar pogingen om het uitgezonden foton te detecteren waren niet succesvol gebleken. In 2016 zeiden onderzoekers van de Ludwig Maximilian Universiteit van München echter indirect bevestigde het bestaan ​​ervan door de emissie van elektronen te meten in een proces dat interne conversie wordt genoemd, waarbij de energie van het nucleaire verval het atoom ioniseert.

Natuurkundigen meten de energie van de laagste nucleaire aangeslagen toestand

Nu hebben Kraemer en collega's de eerste directe detectie van de uitgezonden vacuüm-ultraviolette fotonen gemaakt door opgewonden thorium-229-ionen te bestuderen. Het onderliggende idee is niet nieuw, zegt Kraemer, maar eerder hebben onderzoekers dit geprobeerd door uranium-233 in kristallen te implanteren, die kunnen vervallen tot het aangeslagen thorium-229. Het probleem, zegt Kraemer, is dat hierdoor meer dan 4 MeV aan energie vrijkomt in het kristal, wat “goed is voor het doden van kanker, maar heel slecht voor ons”, omdat het het kristal beschadigt en de optische eigenschappen ervan verstoort.

In het nieuwe werk gebruikten de onderzoekers daarom de ISOLDE-faciliteit van CERN om actinium-229-ionen in magnesiumfluoride- en calciumfluoridekristallen te implanteren. Deze kunnen vervallen tot de metastabiele aangeslagen thorium-229-kern door β-verval, waardoor vier ordes van grootte minder energie in het kristal vrijkomt. De onderzoekers konden daardoor de fotonen detecteren en de transitie-energie meten. De uiteindelijke nauwkeurigheid is nog steeds ver verwijderd van de onzekerheid die nodig is om een ​​klok te bouwen, en de onderzoekers werken nu samen met laserfysici om dit te verfijnen.

Kyle Beloy van het Amerikaanse National Institute for Standards and Technology is onder de indruk van de meting. “Er is een zeer aanzienlijk potentieel voor dit thorium-229-systeem als nucleaire klok en zelfs nog meer om uiteindelijk tests van de fundamentele natuurkunde uit te voeren”, zegt hij. “In dit [werk] observeren ze een foton terwijl het wordt uitgezonden vanuit de aangeslagen toestand naar de grondtoestand, en uiteindelijk is het doel van de gemeenschap hier om het omgekeerde te doen. De smalle frequentieband die de kern zal absorberen ligt in de orde van millihertz, terwijl hoe goed we dat weten in de orde van 10 ligt.¹² Hz, dus het is als een speld in een hooiberg, en wat ze in essentie hebben gedaan is de omvang van de hooiberg met een factor zeven verkleinen. Dat is een grote stap voorwaarts voor iedereen die de transitie wil stimuleren.”

Het onderzoek is beschreven in NATUUR.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/