Fótons da transição do relógio nuclear são finalmente vistos – Physics World

Fótons da transição do relógio nuclear são finalmente vistos – Physics World

Carimbo de data / hora: 2 de junho de 2023 6h57

ISOLDE no CERN
Linha de luz de nuclídeos: ISOLDE no CERN visto de cima (Cortesia: CERN)

A primeira medição direta foi feita de uma transição nuclear de tório-229 que poderia formar a base para um “relógio nuclear”. Feita no CERN, a pesquisa segue um experimento de 2016 que confirmou a existência da transição, mas não detectou o fóton emitido resultante. Ainda resta muito trabalho antes que um relógio funcional possa ser produzido, mas se tal dispositivo for possível, poderá ser uma ferramenta importante para a pesquisa em física fundamental.

Os relógios mais precisos hoje são baseados em conjuntos de átomos capturados opticamente, como estrôncio ou itérbio. Lasers altamente estáveis ​​são travados em ressonância com as frequências de transições atômicas específicas, e as oscilações do laser se comportam efetivamente como oscilações de pêndulo – embora com frequências muito mais altas e, portanto, maior precisão. Esses relógios podem ser estáveis ​​dentro de 1 parte em 1020, o que significa que eles estarão fora por apenas 10 ms após 13.7 bilhões de anos de operação – a idade do universo.

Os relógios atômicos não são apenas grandes cronometristas, os físicos os usaram para estudar uma série de fenômenos fundamentais, como a forma como a teoria geral da relatividade de Einstein se aplica a átomos confinados em armadilhas ópticas. Em busca de uma precisão cada vez maior e insights mais profundos, em 2003 Ekkehard Peik e Christian Tamm, do Physikalisch-technische Bundesanstalt em Braunschweig, Alemanha, propuseram que um relógio poderia ser produzido interrogando não os níveis de energia eletrônica dos átomos, mas os níveis de energia nuclear.

Antena muito menor

Tal relógio nuclear seria extremamente bem isolado do ruído externo. “Um átomo é algo como 10-10 m [através]; um núcleo é algo como 10-14 ou 10-15 m,” explica Sandro Kraemer de KU Leuven na Bélgica, que esteve envolvido nesta última pesquisa. “O núcleo é uma antena muito menor para o ambiente e, portanto, muito menos sujeito a mudanças.”

Um relógio nuclear pode, portanto, ser uma excelente sonda de variações temporais hipotéticas e muito pequenas nos valores de constantes fundamentais, como a constante de estrutura fina, que quantifica a força da interação eletromagnética. Quaisquer dessas mudanças apontariam para a física além do Modelo Padrão. Além disso, a ligação nuclear é mais forte que sua contraparte atômica, então as mudanças entre os níveis de energia são maiores em energia e seriam ressonantes com lasers de alta frequência, tornando detectável uma mudança menor.

No entanto, esta é uma faca de dois gumes, já que a maioria das transições nucleares ocorre em frequências muito mais altas do que as produzidas pelos lasers atuais. O tório-229, no entanto, tem um estado excitado metaestável em torno de 8 eV acima do estado fundamental – uma transição que se encontra no ultravioleta do vácuo.

Adequado para excitação

Kraemer explica que a construção de um laser para excitar esse estado deve ser quase possível: “Dos 3000 ou mais radionúcleos que conhecemos hoje, o tório é o único que conhecemos que possui um estado adequado para excitação a laser”.

Primeiro, no entanto, os pesquisadores precisam saber a frequência exata da transição. De fato, o decaimento havia sido previsto pela teoria, mas as tentativas de detectar o fóton emitido não tiveram sucesso. Em 2016, no entanto, pesquisadores da Universidade Ludwig Maximilian de Munique indiretamente confirmou sua existência medindo a emissão de elétrons em um processo chamado conversão interna, no qual a energia do decaimento nuclear ioniza o átomo.

Agora, Kraemer e seus colegas fizeram a primeira detecção direta dos fótons ultravioleta de vácuo emitidos, estudando os íons de tório-229 excitados. A ideia subjacente não é nova, diz Kraemer, mas os pesquisadores já tentaram fazer isso implantando urânio-233 em cristais, que podem decair para o tório-229 excitado. O problema, diz Kraemer, é que isso libera mais de 4 MeV de energia no cristal, o que “é bom para matar o câncer, mas muito ruim para nós”, pois danifica o cristal, interferindo em suas propriedades ópticas.

No novo trabalho, portanto, os pesquisadores usaram a instalação ISOLDE do CERN para implantar íons actínio-229 em cristais de fluoreto de magnésio e fluoreto de cálcio. Estes podem decair para o núcleo de tório-229 excitado metaestável por decaimento β, que libera quatro ordens de magnitude a menos de energia no cristal. Os pesquisadores puderam, portanto, detectar os fótons e medir a energia de transição. A precisão final ainda está bem aquém da incerteza necessária para construir um relógio, e os pesquisadores agora estão trabalhando com físicos de laser para refinar isso.

Kyle Beloy do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA está impressionado com a medição. “Existe um potencial muito significativo para este sistema de tório-229 como um relógio nuclear e ainda mais para fazer testes de física fundamental eventualmente”, diz ele. “Neste [trabalho], eles observam um fóton conforme ele é emitido do estado excitado para o estado fundamental e, em última análise, o objetivo da comunidade aqui é fazer o inverso. A banda estreita de frequências que o núcleo absorverá é da ordem de milihertz, enquanto sabemos que é da ordem de 1012 Hz, então é como uma agulha em um palheiro, e essencialmente o que eles fizeram foi reduzir o tamanho do palheiro por um fator de sete. Esse é um grande passo à frente para quem busca empolgar a transição.”

A pesquisa é descrita em Natureza.

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