Fotoni iz prehoda jedrske ure so končno vidni – Svet fizike

Opravljena je bila prva neposredna meritev jedrskega prehoda torija-229, ki bi lahko bila osnova za "jedrsko uro". Raziskava, opravljena v CERN-u, sledi eksperimentu iz leta 2016, ki je potrdil obstoj prehoda, vendar ni zaznal nastalega oddanega fotona. Preden bo mogoče izdelati delujočo uro, je treba še veliko dela, a če se takšna naprava izkaže za možno, bi se lahko izkazala za pomembno orodje za raziskave v temeljni fiziki.

Najbolj natančne ure danes temeljijo na optično ujetih sklopih atomov, kot sta stroncij ali iterbij. Zelo stabilni laserji so zaklenjeni v resonanco s frekvencami specifičnih atomskih prehodov, laserska nihanja pa se dejansko obnašajo kot nihanje nihala – čeprav z veliko višjimi frekvencami in zato večjo natančnostjo. Te ure so lahko stabilne do 1 v 10²⁰, kar pomeni, da bodo po 10 milijardah let delovanja – starosti vesolja – izginile le za 13.7 ms.

Atomske ure niso samo odlični merilci časa, fiziki so jih uporabili za preučevanje vrste temeljnih pojavov, na primer, kako se Einsteinova splošna teorija relativnosti uporablja za atome, zaprte v optičnih pasteh. V iskanju vse večje natančnosti in globljih spoznanj je leta 2003 Ekkehard Peik in Christian Tamm iz Physikalisch-technische Bundesanstalt v Braunschweigu v Nemčiji sta predlagala, da bi uro lahko proizvedli z zasliševanjem ne ravni elektronske energije atomov, temveč ravni jedrske energije.

Precej manjša antena

Takšna jedrska ura bi bila izjemno dobro izolirana od zunanjega šuma. »Atom je nekaj takega kot 10^-10 m [čez]; jedro je približno 10^-14 ali 10^-15 m,« pojasnjuje Sandro Kraemer s KU Leuven v Belgiji, ki je sodeloval pri tej najnovejši raziskavi. "Jedro je veliko manjša antena za okolje in je zato veliko manj nagnjeno k premikom."

Jedrska ura bi torej lahko bila odlična sonda hipotetičnih, zelo majhnih časovnih variacij v vrednostih temeljnih konstant, kot je konstanta fine strukture, ki kvantificira moč elektromagnetne interakcije. Vse takšne spremembe bi kazale na fiziko onkraj standardnega modela. Poleg tega je jedrska vezava močnejša od atomske dvojne, zato so premiki med energijskimi ravnmi višji v energiji in bi bili resonančni z visokofrekvenčnimi laserji, zaradi česar bi bilo mogoče zaznati manjšo spremembo.

Vendar je to dvorezen meč, saj se večina jedrskih prehodov zgodi pri veliko višjih frekvencah, kot jih lahko proizvedejo današnji laserji. Torij-229 pa ima metastabilno vzbujeno stanje okoli 8 eV nad osnovnim stanjem – prehod, ki leži v vakuumskem ultravijoličnem.

Primerno za vznemirjenje

Kraemer pojasnjuje, da bi morala biti izdelava laserja za vzbujanje tega stanja skoraj mogoča: "Od približno 3000 radionukleusov, ki jih poznamo danes, je torij edini, za katerega vemo, da ima stanje, primerno za lasersko vzbujanje."

Najprej pa morajo raziskovalci vedeti natančno pogostost prehoda. Dejansko je razpad že dolgo napovedovala teorija, vendar so se poskusi zaznavanja oddanega fotona izkazali za neuspešne. Leta 2016 pa so raziskovalci na Univerzi Ludwiga Maximiliana v Münchnu posredno potrdila svoj obstoj z merjenjem emisije elektronov v procesu, imenovanem notranja pretvorba, pri katerem energija jedrskega razpada ionizira atom.

Fiziki merijo energijo najnižjega jedrskega vzbujenega stanja

Zdaj so Kraemer in njegovi sodelavci izvedli prvo neposredno detekcijo oddanih vakuumskih ultravijoličnih fotonov s preučevanjem vzbujenih ionov torija-229. Osnovna ideja ni nova, pravi Kraemer, vendar so raziskovalci že prej poskušali to narediti z vsaditvijo urana-233 v kristale, ki lahko razpadejo na vzbujeni torij-229. Težava, pravi Kraemer, je v tem, da se s tem sprosti več kot 4 MeV energije v kristal, kar je "dobro za ubijanje raka, a zelo slabo za nas", saj poškoduje kristal in moti njegove optične lastnosti.

Zato so v novem delu raziskovalci uporabili CERN-ov objekt ISOLDE za vsaditev ionov aktinija-229 v kristale magnezijevega fluorida in kalcijevega fluorida. Ti lahko razpadejo v metastabilno vzbujeno jedro torija-229 z β-razpadom, ki sprosti štiri velikostne rede manj energije v kristal. Raziskovalci so tako lahko zaznali fotone in izmerili energijo prehoda. Končna natančnost je še vedno precej manjša od negotovosti, potrebne za izdelavo ure, in raziskovalci zdaj sodelujejo z laserskimi fiziki, da bi to izboljšali.

Kyle Beloy z ameriškega nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo je nad meritvijo navdušen. "Obstaja zelo velik potencial za ta sistem s torijem-229 kot jedrsko uro in še več, da bi sčasoma opravili preizkuse temeljne fizike," pravi. »V tem [delu] opazujejo foton, ko se oddaja iz vzbujenega stanja navzdol v osnovno stanje, in na koncu je cilj skupnosti tukaj narediti obratno. Ozek frekvenčni pas, ki ga bo jedro absorbiralo, je reda milihercev, medtem ko je to, kako dobro vemo, reda 10¹² Hz, zato je kot igla v kupu sena in v bistvu so naredili to, da so zmanjšali velikost kozolca za faktor sedem. To je velik korak naprej za vse, ki želijo navdušiti prehod.”

Raziskava je opisana v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• Kupujte in prodajajte delnice podjetij pred IPO s PREIPO®. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/