Fotony z przejścia zegara jądrowego w końcu są widoczne – Physics World

Dokonano pierwszego bezpośredniego pomiaru przemiany jądrowej toru-229, która może potencjalnie stanowić podstawę „zegara jądrowego”. Badania przeprowadzone w CERN są kontynuacją eksperymentu z 2016 roku, który potwierdził istnienie przejścia, ale nie wykrył emitowanego fotonu. Zanim będzie można wyprodukować działający zegar, pozostaje wiele pracy, ale jeśli takie urządzenie okaże się możliwe, może okazać się ważnym narzędziem do badań w zakresie fizyki fundamentalnej.

Obecnie najdokładniejsze zegary oparte są na optycznie uwięzionych zespołach atomów, takich jak stront czy iterb. Wysoce stabilne lasery są zablokowane w rezonansie z częstotliwościami określonych przejść atomowych, a oscylacje lasera skutecznie zachowują się jak wahania – aczkolwiek ze znacznie wyższymi częstotliwościami, a zatem z większą precyzją. Zegary te mogą być stabilne z dokładnością do 1 części na 10²⁰, co oznacza, że ​​wygasną o zaledwie 10 ms po 13.7 miliardach lat działania – wieku wszechświata.

Zegary atomowe są nie tylko świetnymi strażnikami czasu, fizycy używali ich do badania szeregu fundamentalnych zjawisk, takich jak zastosowanie ogólnej teorii względności Einsteina do atomów zamkniętych w pułapkach optycznych. W poszukiwaniu coraz większej precyzji i głębszego wglądu, w 2003 r Ekkeharda Peika i Christian Tamm z Physikalisch-technische Bundesanstalt w Brunszwiku w Niemczech zaproponowali, że zegar można by wyprodukować, badając nie elektronowe poziomy energii atomów, ale poziomy energii jądrowej.

Dużo mniejsza antena

Taki zegar jądrowy byłby wyjątkowo dobrze odizolowany od szumów zewnętrznych. „Atom to coś w rodzaju 10^-10 m [w poprzek]; jądro to coś w rodzaju 10^-14 lub 10^-15 m” – wyjaśnia Sandro Kraemera z KU Leuven w Belgii, który był zaangażowany w te ostatnie badania. „Jądro jest znacznie mniejszą anteną dla środowiska i dlatego jest znacznie mniej podatne na przesunięcia”.

Zegar nuklearny może zatem być doskonałą sondą hipotetycznych, bardzo małych czasowych zmian wartości podstawowych stałych, takich jak stała struktury subtelnej, która określa ilościowo siłę oddziaływania elektromagnetycznego. Wszelkie takie zmiany wskazywałyby na fizykę wykraczającą poza Model Standardowy. Co więcej, wiązanie jądrowe jest silniejsze niż jego atomowy odpowiednik, więc przesunięcia między poziomami energii są wyższe i będą rezonować z laserami o wyższej częstotliwości, dzięki czemu mniejsze zmiany będą wykrywalne.

Jest to jednak miecz obosieczny, ponieważ większość przejść jądrowych zachodzi przy znacznie wyższych częstotliwościach niż te, które mogą być wytwarzane przez dzisiejsze lasery. Tor-229 ma jednak metastabilny stan wzbudzony około 8 eV powyżej stanu podstawowego – przejście, które leży w ultrafiolecie próżniowym.

Nadaje się do wzbudzenia

Kraemer wyjaśnia, że ​​zbudowanie lasera do wzbudzenia tego stanu powinno być prawie możliwe: „Spośród około 3000 jąder promieniotwórczych, które znamy dzisiaj, tylko tor ma stan odpowiedni do wzbudzenia lasera”.

Najpierw jednak badacze muszą znać dokładną częstotliwość przejścia. Rzeczywiście, rozpad był od dawna przewidywany przez teorię, ale próby wykrycia emitowanego fotonu okazały się nieskuteczne. Jednak w 2016 roku badacze z Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana w Monachium pośrednio potwierdziło jego istnienie mierząc emisję elektronów w procesie zwanym konwersją wewnętrzną, w którym energia rozpadu jądrowego jonizuje atom.

Fizycy mierzą energię najniższego jądrowego stanu wzbudzonego

Teraz Kraemer i współpracownicy dokonali pierwszej bezpośredniej detekcji emitowanych próżniowych fotonów ultrafioletowych, badając wzbudzone jony toru-229. Pomysł leżący u podstaw nie jest nowy, mówi Kraemer, ale wcześniej naukowcy próbowali to zrobić, wszczepiając uran-233 do kryształów, które mogą rozpadać się na wzbudzony tor-229. Problem, mówi Kraemer, polega na tym, że uwalnia to ponad 4 MeV energii do kryształu, co „jest dobre do zabijania raka, ale naprawdę złe dla nas”, ponieważ uszkadza kryształ, zakłócając jego właściwości optyczne.

Dlatego w nowej pracy naukowcy wykorzystali ośrodek CERN ISOLDE do implantacji jonów aktynu-229 do kryształów fluorku magnezu i fluorku wapnia. Mogą one rozpaść się do metastabilnego wzbudzonego jądra toru-229 w wyniku rozpadu β, który uwalnia cztery rzędy wielkości mniej energii do kryształu. Naukowcy mogli zatem wykryć fotony i zmierzyć energię przejścia. Ostateczna precyzja wciąż jest daleka od niepewności potrzebnej do zbudowania zegara, a naukowcy współpracują teraz z fizykami laserowymi, aby to udoskonalić.

Kyle'a Beloya z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii jest pod wrażeniem wyniku pomiaru. „Istnieje bardzo znaczący potencjał dla tego układu toru-229 jako zegara jądrowego, a tym bardziej, aby ostatecznie przeprowadzić testy fundamentalnej fizyki” – mówi. „W tej [pracy] obserwują foton emitowany ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, a ostatecznie celem społeczności tutaj jest odwrotność. Wąskie pasmo częstotliwości, które jądro pochłonie, jest rzędu miliherców, podczas gdy dobrze wiemy, że jest rzędu 10¹² Hz, więc jest to jak igła w stogu siana, a zasadniczo to, co zrobili, to zmniejszenie rozmiaru stogu siana siedmiokrotnie. To duży krok naprzód dla każdego, kto chce ekscytować przejściem”.

Badania opisano w Natura.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Kupuj i sprzedawaj akcje spółek PRE-IPO z PREIPO®. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/