Fotoner från nukleär klockövergång ses äntligen – Physics World

Den första direkta mätningen har gjorts av en torium-229 kärnkraftsövergång som potentiellt kan ligga till grund för en "kärnklocka". Gjord på CERN, forskningen följer ett experiment från 2016 som bekräftade övergångens existens men som inte upptäckte den resulterande emitterade fotonen. Mycket arbete återstår innan en fungerande klocka kan produceras, men om en sådan anordning visar sig möjlig kan den visa sig vara ett viktigt verktyg för forskning inom grundläggande fysik.

De mest exakta klockorna idag är baserade på optiskt fångade ensembler av atomer som strontium eller ytterbium. Mycket stabila lasrar är låsta i resonans med frekvenserna för specifika atomära övergångar, och lasersvängningarna beter sig effektivt som pendelsvängningar – om än med mycket högre frekvenser och därför större precision. Dessa klockor kan vara stabila till inom 1 del av 10²⁰, vilket innebär att de kommer att vara ute med bara 10 ms efter 13.7 miljarder års drift – universums ålder.

Atomklockor är inte bara bra tidmätare, fysiker har använt dem för att studera en rad grundläggande fenomen som hur Einsteins allmänna relativitetsteori tillämpas på atomer som är instängda i optiska fällor. På jakt efter allt större precision och djupare insikter, 2003 Ekkehard Peik och Christian Tamm från Physikalisch-technische Bundesanstalt i Braunschweig, Tyskland föreslog att en klocka skulle kunna produceras genom att inte förhöra elektroniska energinivåer för atomer utan kärnenerginivåer.

Mycket mindre antenn

En sådan kärnklocka skulle vara extremt väl isolerad från externt brus. "En atom är ungefär 10^-10 m [tvärtom]; en kärna är ungefär 10^-14 eller 10^-15 m,” förklarar Sandro Kraemer från KU Leuven i Belgien, som var involverad i denna senaste forskning. "Kärnan är en mycket mindre antenn för miljön och är därför mycket mindre benägen för förskjutningar."

En kärnklocka kan därför vara en utmärkt sond av hypotetiska, mycket små tidsvariationer i värdena för fundamentala konstanter, såsom finstrukturkonstanten, som kvantifierar styrkan hos den elektromagnetiska interaktionen. Alla sådana förändringar skulle peka på fysik bortom standardmodellen. Dessutom är kärnbindningen starkare än dess atomära motsvarighet, så skiftningarna mellan energinivåerna är högre i energi och skulle vara resonans med högre frekvenslasrar, vilket gör en mindre förändring detekterbar.

Detta är dock ett tveeggat svärd, eftersom de flesta nukleära övergångar sker med mycket högre frekvenser än vad som kan produceras av dagens lasrar. Thorium-229 har dock ett metastabilt exciterat tillstånd runt 8 eV över marktillståndet – en övergång som ligger i vakuumet ultraviolett.

Lämplig för excitation

Kraemer förklarar att det nästan borde vara möjligt att bygga en laser för att excitera detta tillstånd, "Av 3000 eller så radiokärnor vi känner till idag är torium den enda vi känner till som har ett tillstånd som är lämpligt för laserexcitation".

Först måste forskarna dock veta den exakta frekvensen av övergången. Förfallet hade faktiskt länge förutspåtts av teorin, men försök att upptäcka fotonen som sänds ut hade visat sig misslyckade. 2016, men forskare vid Ludwig Maximilian University i München indirekt bekräftade dess existens genom att mäta emissionen av elektroner i en process som kallas intern omvandling, där energin från kärnsönderfallet joniserar atomen.

Fysiker mäter energi av lägsta kärnexciterade tillstånd

Nu har Kraemer och kollegor gjort den första direkta upptäckten av de emitterade vakuum ultravioletta fotonerna genom att studera exciterade torium-229-joner. Den bakomliggande idén är inte ny, säger Kraemer, men tidigare har forskare försökt göra detta genom att implantera uran-233 i kristaller, som kan sönderfalla till det exciterade torium-229. Problemet, säger Kraemer, är att detta frigör över 4 MeV energi till kristallen, vilket "är bra för att döda cancer, men riktigt dåligt för oss" eftersom det skadar kristallen och stör dess optiska egenskaper.

I det nya arbetet använde forskarna därför CERNs ISOLDE-anläggning för att implantera aktinium-229-joner i magnesiumfluorid- och kalciumfluoridkristaller. Dessa kan sönderfalla till den metastabila exciterade torium-229-kärnan genom β-sönderfall, vilket frigör fyra storleksordningar mindre energi till kristallen. Forskarna kunde därför detektera fotonerna och mäta övergångsenergin. Den slutliga precisionen är fortfarande långt borta från den osäkerhet som behövs för att bygga en klocka, och forskarna arbetar nu med laserfysiker för att förfina detta.

Kyle Beloy från US National Institute for Standards and Technology är imponerad av mätningen. "Det finns mycket stor potential för detta torium-229-system som en kärnklocka och ännu mer att göra tester av grundläggande fysik så småningom", säger han. "I detta [arbete] observerar de en foton när den sänds ut från det exciterade tillståndet ner till grundtillståndet, och i slutändan är målet för samhället här att göra det omvända. Det smala bandet av frekvenser som kärnan kommer att absorbera är i storleksordningen millihertz, medan hur väl vi vet det är i storleksordningen 10¹² Hz, så det är som en nål i en höstack, och vad de har gjort är att minska storleken på höstacken med en faktor sju. Det är ett stort steg framåt för alla som vill stimulera övergången."

Forskningen beskrivs i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/