Наконец-то замечены фотоны перехода ядерных часов

Было сделано первое прямое измерение ядерного перехода тория-229, который потенциально может стать основой для «ядерных часов». Проведенное в ЦЕРН исследование следует за экспериментом 2016 года, который подтвердил существование перехода, но не обнаружил испускаемый в результате фотон. Много работы предстоит сделать, прежде чем можно будет создать работающие часы, но если такое устройство окажется возможным, оно может оказаться важным инструментом для исследований в области фундаментальной физики.

Самые точные часы сегодня основаны на оптически захваченных ансамблях атомов, таких как стронций или иттербий. Высокостабильные лазеры находятся в резонансе с частотами определенных атомных переходов, и лазерные колебания фактически ведут себя как колебания маятника, хотя и с гораздо более высокими частотами и, следовательно, с большей точностью. Эти часы могут быть стабильными в пределах 1 части из 10.²⁰, что означает, что они отстанут всего на 10 мс после 13.7 миллиардов лет работы — возраста Вселенной.

Атомные часы — это не только отличные хронометры, физики использовали их для изучения ряда фундаментальных явлений, таких как то, как общая теория относительности Эйнштейна применяется к атомам, заключенным в оптических ловушках. В поисках еще большей точности и более глубокого понимания в 2003 г. Эккехард Пейк и Кристиан Тамм из Physikalisch-technische Bundesanstalt в Брауншвейге, Германия, предложили, чтобы часы можно было изготовить, исследуя не электронные энергетические уровни атомов, а ядерные энергетические уровни.

Антенна гораздо меньше

Такие ядерные часы были бы чрезвычайно хорошо изолированы от внешнего шума. «Атом — это что-то вроде 10^-10 м [поперек]; ядро что-то вроде 10^-14 или 10^-15 м», — объясняет Сандро Кремер KU Leuven в Бельгии, который участвовал в этом последнем исследовании. «Ядро — это гораздо меньшая антенна для окружающей среды, и поэтому оно гораздо менее подвержено сдвигам».

Таким образом, ядерные часы могут быть превосходным зондом гипотетических, очень крошечных временных вариаций значений фундаментальных констант, таких как постоянная тонкой структуры, которая количественно определяет силу электромагнитного взаимодействия. Любые такие изменения указывали бы на физику за пределами Стандартной модели. Более того, ядерная связь сильнее, чем ее атомный аналог, поэтому сдвиги между энергетическими уровнями имеют более высокую энергию и будут резонировать с более высокочастотными лазерами, что позволит обнаружить меньшее изменение.

Однако это палка о двух концах, поскольку большинство ядерных переходов происходят на гораздо более высоких частотах, чем могут быть произведены современными лазерами. Торий-229, однако, имеет метастабильное возбужденное состояние примерно на 8 эВ выше основного состояния — переход, который находится в вакуумном ультрафиолете.

Подходит для возбуждения

Кремер объясняет, что создание лазера для возбуждения этого состояния должно быть практически возможным: «Из примерно 3000 радиоядер, известных нам сегодня, только торий имеет состояние, подходящее для лазерного возбуждения».

Однако сначала исследователям необходимо знать точную частоту перехода. Действительно, распад был давно предсказан теорией, но попытки обнаружить испускаемый фотон оказались безуспешными. Однако в 2016 году исследователи из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана косвенно подтвердил свое существование путем измерения испускания электронов в процессе, называемом внутренней конверсией, при котором энергия ядерного распада ионизирует атом.

Физики измерили энергию низшего возбужденного состояния ядра

Теперь Кремер и его коллеги сделали первое прямое обнаружение испускаемых фотонов вакуумного ультрафиолета, изучая возбужденные ионы тория-229. Лежащая в основе идея не нова, говорит Кремер, но ранее исследователи пытались сделать это, имплантируя уран-233 в кристаллы, которые могут распадаться до возбужденного тория-229. Проблема, по словам Кремера, заключается в том, что кристалл высвобождает более 4 МэВ энергии, что «хорошо для уничтожения рака, но очень плохо для нас», поскольку повреждает кристалл, влияя на его оптические свойства.

Поэтому в новой работе исследователи использовали установку CERN ISOLDE для имплантации ионов актиния-229 в кристаллы фторида магния и фторида кальция. Они могут распасться до метастабильного возбужденного ядра тория-229 в результате β-распада, при котором в кристалл выделяется на четыре порядка меньше энергии. Таким образом, исследователи смогли обнаружить фотоны и измерить энергию перехода. Окончательная точность все еще не соответствует неопределенности, необходимой для создания часов, и исследователи сейчас работают с физиками-лазерщиками, чтобы уточнить ее.

Кайл Белой из Национального института стандартов и технологий США впечатлен измерениями. «У этой системы тория-229 есть очень значительный потенциал в качестве ядерных часов и даже более того, чтобы в конечном итоге проводить испытания фундаментальной физики», — говорит он. «В этой [работе] они наблюдают за фотоном, когда он излучается из возбужденного состояния в основное состояние, и в конечном итоге цель сообщества здесь — сделать обратное. Узкая полоса частот, которые будет поглощать ядро, составляет порядка миллигерц, тогда как, насколько хорошо мы знаем, что это порядка 10¹² Гц, так что это как иголка в стоге сена, и, по сути, они уменьшили размер стога сена в семь раз. Это большой шаг вперед для тех, кто хочет вдохновиться переходом».

Исследование описано в природа.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/