Fotoner fra kjernefysisk klokkeovergang blir endelig sett – Physics World

Den første direkte målingen er gjort av en thorium-229 kjernefysisk overgang som potensielt kan danne grunnlaget for en "atomklokke". Utført ved CERN, følger forskningen et eksperiment fra 2016 som bekreftet overgangens eksistens, men som ikke oppdaget det resulterende utsendte fotonet. Det gjenstår mye arbeid før en arbeidsklokke kan produseres, men hvis en slik enhet viser seg å være mulig, kan den vise seg å være et viktig verktøy for forskning innen grunnleggende fysikk.

De mest nøyaktige klokkene i dag er basert på optisk fanget ensembler av atomer som strontium eller ytterbium. Svært stabile lasere er låst i resonans med frekvensene til spesifikke atomoverganger, og laseroscillasjonene oppfører seg effektivt som pendelsvingninger – om enn med mye høyere frekvenser og derfor større presisjon. Disse klokkene kan være stabile til innenfor 1 del av 10²⁰, som betyr at de vil være ute med bare 10 ms etter 13.7 milliarder års drift – universets alder.

Atomklokker er ikke bare gode tidtakere, fysikere har brukt dem til å studere en rekke grunnleggende fenomener som hvordan Einsteins generelle relativitetsteori gjelder atomer innesperret i optiske feller. På jakt etter stadig større presisjon og dypere innsikt, i 2003 Ekkehard Peik og Christian Tamm fra Physikalisch-technische Bundesanstalt i Braunschweig, Tyskland foreslo at en klokke kunne produseres ved å spørre ikke elektroniske energinivåer til atomer, men kjerneenerginivåer.

Mye mindre antenne

En slik kjernefysisk klokke ville være ekstremt godt isolert fra ekstern støy. "Et atom er noe sånt som 10^-10 m [tvers]; en kjerne er noe sånt som 10^-14 eller 10^-15 m," forklarer Sandro Kraemer fra KU Leuven i Belgia, som var involvert i denne siste forskningen. "Kjernen er en mye mindre antenne for miljøet og er dermed mye mindre utsatt for skift."

En kjernefysisk klokke kan derfor være en utmerket sonde for hypotetiske, svært små tidsmessige variasjoner i verdiene til fundamentale konstanter som finstrukturkonstanten, som kvantifiserer styrken til den elektromagnetiske interaksjonen. Alle slike endringer vil peke på fysikk utover standardmodellen. Dessuten er kjernefysisk binding sterkere enn dens atomære motstykke, så skiftene mellom energinivåene er høyere i energi og vil være resonans med høyere frekvenslasere, noe som gjør en mindre endring påviselig.

Dette er imidlertid et tveegget sverd, ettersom de fleste kjernefysiske overganger skjer med mye høyere frekvenser enn det som kan produseres av dagens lasere. Thorium-229 har imidlertid en metastabil eksitert tilstand rundt 8 eV over grunntilstanden - en overgang som ligger i vakuumet ultrafiolett.

Egnet for eksitasjon

Kraemer forklarer at det å bygge en laser for å eksitere denne tilstanden omtrent burde være mulig, "Av 3000 eller så radiokjerner vi kjenner i dag, er thorium den eneste vi kjenner som har en tilstand som er egnet for lasereksitasjon".

Først må imidlertid forskere vite den nøyaktige frekvensen av overgangen. Faktisk hadde forfallet lenge vært forutsagt av teori, men forsøk på å oppdage fotonet som ble sendt ut hadde vist seg å være mislykket. I 2016, men forskere ved Ludwig Maximilian Universitetet i München indirekte bekreftet dens eksistens ved å måle emisjonen av elektroner i en prosess som kalles intern konvertering, der energien til det kjernefysiske forfallet ioniserer atomet.

Fysikere måler energi av laveste kjernefysiske eksiterte tilstand

Nå har Kraemer og kollegene gjort den første direkte deteksjonen av de utsendte vakuum-ultrafiolette fotonene ved å studere eksiterte thorium-229-ioner. Den underliggende ideen er ikke ny, sier Kraemer, men tidligere har forskere forsøkt å gjøre dette ved å implantere uran-233 i krystaller, som kan forfalle til det eksiterte thorium-229. Problemet, sier Kraemer, er at dette frigjør over 4 MeV energi til krystallen, som "er bra for å drepe kreft, men veldig dårlig for oss", ettersom det skader krystallen, og forstyrrer dens optiske egenskaper.

I det nye arbeidet brukte derfor forskerne CERNs ISOLDE-anlegg til å implantere aktinium-229-ioner i magnesiumfluorid- og kalsiumfluoridkrystaller. Disse kan forfalle til den metastabile eksiterte thorium-229-kjernen ved β-forfall, som frigjør fire størrelsesordener mindre energi til krystallen. Forskerne kunne derfor oppdage fotonene og måle overgangsenergien. Den endelige presisjonen er fortsatt langt fra usikkerheten som trengs for å bygge en klokke, og forskerne jobber nå med laserfysikere for å avgrense denne.

Kyle Beloy fra US National Institute for Standards and Technology er imponert over målingen. "Det er et veldig betydelig potensial for dette thorium-229-systemet som en kjernefysisk klokke og enda mer for å gjøre tester av grunnleggende fysikk til slutt," sier han. "I dette [arbeidet] observerer de et foton når det sendes ut fra den eksiterte tilstanden ned til grunntilstanden, og til syvende og sist er målet for samfunnet her å gjøre det motsatte. Det smale frekvensbåndet som kjernen vil absorbere er i størrelsesorden millihertz, mens hvor godt vi vet det er i størrelsesorden 10¹² Hz, så det er som en nål i en høystakk, og det de har gjort er å redusere størrelsen på høystakken med en faktor på syv. Det er et stort skritt fremover for alle som søker etter å begeistre overgangen.»

Forskningen er beskrevet i Natur.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/