โฟตอนจากการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณนาฬิกานิวเคลียร์มีให้เห็นในที่สุด - โลกฟิสิกส์

การวัดโดยตรงครั้งแรกเกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ของทอเรียม-229 ซึ่งอาจเป็นพื้นฐานสำหรับ "นาฬิกานิวเคลียร์" ทำที่ CERN การวิจัยติดตามการทดลองในปี 2016 ที่ยืนยันการมีอยู่ของการเปลี่ยนแปลง แต่ไม่พบโฟตอนที่ปล่อยออกมา มีงานมากมายเหลืออยู่ก่อนที่จะสร้างนาฬิกาทำงาน แต่ถ้าอุปกรณ์ดังกล่าวพิสูจน์ได้ว่าเป็นไปได้ มันสามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการวิจัยในฟิสิกส์พื้นฐาน

นาฬิกาที่เที่ยงตรงที่สุดในปัจจุบันอิงตามกลุ่มของอะตอมที่ติดอยู่ทางแสง เช่น สตรอนเทียมหรืออิตเทอร์เบียม เลเซอร์ที่มีความเสถียรสูงจะถูกล็อคให้อยู่ในเรโซแนนซ์ด้วยความถี่ของการเปลี่ยนผ่านของอะตอมที่เฉพาะเจาะจง และการสั่นของเลเซอร์จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเหมือนกับการแกว่งของลูกตุ้ม แม้ว่าจะมีความถี่ที่สูงกว่ามากและมีความแม่นยำมากกว่าก็ตาม นาฬิกาเหล่านี้สามารถคงที่ได้ภายใน 1 ส่วนใน 10²⁰ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะออกไปภายในเวลาเพียง 10 มิลลิวินาทีหลังจากดำเนินการมา 13.7 ล้านปี ซึ่งเป็นอายุของเอกภพ

นาฬิกาอะตอมไม่ได้เป็นเพียงเครื่องบอกเวลาที่ยอดเยี่ยม นักฟิสิกส์ยังใช้มันเพื่อศึกษาปรากฏการณ์พื้นฐานต่างๆ เช่น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์นำไปใช้กับอะตอมที่ถูกกักขังไว้ในกับดักแสงอย่างไร ในการค้นหาความแม่นยำและความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในปี 2003 เอกกี้ฮาร์ดพีค และ Christian Tamm จาก Physikalisch-technische Bundesanstalt ในเมือง Braunschweig ประเทศเยอรมนี เสนอว่านาฬิกาสามารถผลิตได้โดยการสอบถามระดับพลังงานไฟฟ้าของอะตอม ไม่ใช่ระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ แต่เป็นระดับพลังงานนิวเคลียร์

เสาอากาศขนาดเล็กกว่ามาก

นาฬิกานิวเคลียร์แบบนี้จะแยกจากเสียงรบกวนภายนอกได้ดีมาก “อะตอมมีค่าประมาณ 10^-10 ม. [ข้าม]; นิวเคลียสมีค่าประมาณ 10^-14 หรือ 10^-15 ม” อธิบาย ซานโดร เครเมอร์ แห่งมหาวิทยาลัย KU Leuven ประเทศเบลเยียม ซึ่งมีส่วนร่วมในงานวิจัยล่าสุดนี้ “นิวเคลียสเป็นเสาอากาศที่เล็กกว่ามากสำหรับสิ่งแวดล้อม ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงน้อยลงมาก”

ดังนั้นนาฬิกานิวเคลียร์อาจเป็นโพรบที่ยอดเยี่ยมของการแปรผันชั่วคราวตามสมมุติฐานเพียงเล็กน้อยในค่าของค่าคงที่พื้นฐาน เช่น ค่าคงที่ของโครงสร้างละเอียด ซึ่งเป็นปริมาณความแรงของอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงใด ๆ ดังกล่าวจะชี้ให้เห็นถึงฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน ยิ่งกว่านั้น การจับกันทางนิวเคลียร์นั้นแข็งแกร่งกว่าอะตอมคู่ของมัน ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับพลังงานจึงมีพลังงานสูงกว่าและจะสะท้อนกับเลเซอร์ความถี่สูงกว่า ทำให้ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงได้เล็กน้อย

อย่างไรก็ตาม นี่เป็นดาบสองคม เนื่องจากการเปลี่ยนผ่านของนิวเคลียร์ส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่ความถี่ที่สูงกว่าที่เลเซอร์ในปัจจุบันสามารถผลิตได้ อย่างไรก็ตาม ทอเรียม-229 มีสถานะตื่นเต้นที่แพร่กระจายได้ประมาณ 8 eV เหนือสถานะพื้น ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงที่อยู่ในอัลตราไวโอเลตสุญญากาศ

เหมาะสำหรับการกระตุ้น

Kraemer อธิบายว่าการสร้างเลเซอร์เพื่อกระตุ้นสถานะนี้น่าจะเป็นไปได้ "จากนิวเคลียสรังสีประมาณ 3000 อะตอมที่เรารู้จักในปัจจุบัน ทอเรียมเป็นสิ่งเดียวที่เรารู้ว่ามีสถานะที่เหมาะสมสำหรับการกระตุ้นด้วยเลเซอร์"

อย่างไรก็ตาม อันดับแรก นักวิจัยจำเป็นต้องทราบความถี่ที่แน่นอนของการเปลี่ยนแปลง แท้จริงแล้ว การสลายตัวได้รับการทำนายโดยทฤษฎีมานานแล้ว แต่ความพยายามที่จะตรวจจับโฟตอนที่ถูกปล่อยออกมานั้นไม่ประสบผลสำเร็จ อย่างไรก็ตาม ในปี 2016 นักวิจัยจาก Ludwig Maximilian University of Munich กล่าวโดยอ้อม ยืนยันการมีอยู่ของมัน โดยการวัดการปล่อยอิเล็กตรอนในกระบวนการที่เรียกว่าการแปลงภายใน ซึ่งพลังงานของการสลายตัวของนิวเคลียร์ทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออน

นักฟิสิกส์วัดพลังงานของสภาวะกระตุ้นนิวเคลียร์ที่ต่ำที่สุด

ตอนนี้ Kraemer และเพื่อนร่วมงานได้ทำการตรวจจับโฟตอนรังสีอัลตราไวโอเลตสุญญากาศที่ปล่อยออกมาโดยตรงเป็นครั้งแรก โดยศึกษาไอออนของทอเรียม-229 ที่ตื่นเต้น แนวคิดพื้นฐานไม่ใช่เรื่องใหม่ Kraemer กล่าว แต่ก่อนหน้านี้นักวิจัยได้พยายามทำเช่นนี้โดยการฝังยูเรเนียม-233 ลงในผลึก ซึ่งสามารถสลายตัวเป็นทอเรียม-229 ที่ตื่นเต้นได้ Kraemer กล่าวว่าปัญหาคือสิ่งนี้ปล่อยพลังงานมากกว่า 4 MeV เข้าไปในคริสตัล ซึ่ง "ดีสำหรับการฆ่ามะเร็ง แต่ไม่ดีต่อเราจริงๆ" เนื่องจากมันสร้างความเสียหายให้กับคริสตัล ซึ่งรบกวนคุณสมบัติทางแสงของมัน

ในงานใหม่นี้ นักวิจัยได้ใช้โรงงาน ISOOLDE ของ CERN ในการฝังไอออนของแอกทิเนียม-229 เข้าไปในผลึกแมกนีเซียมฟลูออไรด์และแคลเซียมฟลูออไรด์ สิ่งเหล่านี้สามารถสลายตัวไปยังนิวเคลียสของทอเรียม-229 ที่น่าตื่นเต้นซึ่งแพร่กระจายได้โดยการสลายตัวแบบ β ซึ่งปล่อยพลังงานน้อยกว่าสี่ลำดับเข้าไปในผลึก นักวิจัยจึงสามารถตรวจจับโฟตอนและวัดพลังงานการเปลี่ยนแปลงได้ ความแม่นยำขั้นสุดท้ายยังขาดความไม่แน่นอนที่จำเป็นในการสร้างนาฬิกา และตอนนี้นักวิจัยกำลังทำงานร่วมกับนักฟิสิกส์เลเซอร์เพื่อปรับแต่งสิ่งนี้

ไคล์ เบลบอย ของสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาประทับใจในการวัด “ระบบทอเรียม-229 นี้มีศักยภาพที่สำคัญมากในฐานะนาฬิกานิวเคลียร์ และยิ่งกว่านั้นคือต้องทำการทดสอบฟิสิกส์พื้นฐานในที่สุด” เขากล่าว “ใน [ผลงาน] นี้ พวกเขาสังเกตโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากสถานะตื่นเต้นลงไปยังสถานะพื้น และท้ายที่สุดแล้วเป้าหมายของชุมชนที่นี่คือการทำสิ่งที่ตรงกันข้าม แถบความถี่แคบที่นิวเคลียสจะดูดซับนั้นอยู่ในลำดับของมิลลิเฮิรตซ์ ในขณะที่เราทราบดีเพียงใดว่าอยู่ในลำดับที่ 10¹² เฮิรตซ์ ดังนั้นมันจึงเหมือนงมเข็มในมหาสมุทร และโดยพื้นฐานแล้ว สิ่งที่พวกเขาทำคือลดขนาดของกองหญ้าลง XNUMX เท่า นั่นเป็นก้าวสำคัญสำหรับใครก็ตามที่ค้นหาเพื่อกระตุ้นการเปลี่ยนแปลง”

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตไอสตรีม. ข้อมูลอัจฉริยะ Web3 ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• การสร้างอนาคตโดย Adryenn Ashley เข้าถึงได้ที่นี่.
• ซื้อและขายหุ้นในบริษัท PRE-IPO ด้วย PREIPO® เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/