Фотони від зміни ядерного годинника нарешті видно – Physics World

Було зроблено перше пряме вимірювання ядерного переходу торію-229, який потенційно може стати основою для «ядерного годинника». Дослідження, проведене в CERN, є результатом експерименту 2016 року, який підтвердив існування переходу, але не виявив випромінюваного фотона. Попереду ще багато роботи, перш ніж можна буде створити робочий годинник, але якщо такий пристрій виявиться можливим, він може стати важливим інструментом для досліджень у фундаментальній фізиці.

Найточніші сьогодні годинники засновані на оптично захоплених ансамблях атомів, таких як стронцій або ітербій. Високостабільні лазери зафіксовані в резонансі з частотами конкретних атомних переходів, і коливання лазера фактично поводяться як коливання маятника – хоча з набагато вищими частотами і, отже, з більшою точністю. Ці годинники можуть бути стабільними з точністю 1 до 10²⁰, що означає, що вони зникнуть лише на 10 мс після 13.7 мільярдів років роботи – віку Всесвіту.

Атомні годинники — це не просто чудові хронометри, фізики використовували їх для вивчення ряду фундаментальних явищ, наприклад того, як загальна теорія відносності Ейнштейна застосовується до атомів, ув’язнених в оптичних пастках. У пошуках ще більшої точності та глибшого розуміння у 2003 р Еккехард Пейк і Крістіан Тамм з Physikalisch-technische Bundesanstalt у Брауншвейзі, Німеччина, запропонував створити годинник шляхом опитування не електронних рівнів енергії атомів, а рівнів ядерної енергії.

Набагато менша антена

Такий ядерний годинник був би надзвичайно добре ізольований від зовнішнього шуму. «Атом — це приблизно 10^-10 м [поперек]; ядро - це приблизно 10^-14 або 10^-15 м», – пояснює Сандро Кремер KU Leuven у Бельгії, який брав участь у цьому останньому дослідженні. «Ядро є набагато меншою антеною для навколишнього середовища і, отже, набагато менш схильне до зрушень».

Таким чином, ядерний годинник може бути чудовим дослідником гіпотетичних, дуже крихітних часових змін у значеннях фундаментальних констант, таких як константа тонкої структури, яка кількісно визначає силу електромагнітної взаємодії. Будь-які такі зміни вказували б на фізику, що виходить за рамки Стандартної моделі. Крім того, ядерний зв’язок сильніший, ніж його атомний аналог, тому зсуви між енергетичними рівнями є вищими за енергією і будуть резонансними з високочастотними лазерами, що робить меншу зміну помітною.

Однак це палка з двома кінцями, оскільки більшість ядерних переходів відбуваються на набагато вищих частотах, ніж можуть виробляти сучасні лазери. Проте торій-229 має метастабільний збуджений стан приблизно на 8 еВ вище основного стану – перехід, який знаходиться у вакуумному ультрафіолеті.

Підходить для збудження

Кремер пояснює, що побудова лазера для збудження цього стану майже можлива: «З приблизно 3000 радіоядер, які ми знаємо сьогодні, торій — єдине, що ми знаємо, яке має стан, придатний для лазерного збудження».

Однак спочатку дослідники повинні знати точну частоту переходу. Дійсно, розпад давно передбачався теорією, але спроби виявити випущений фотон виявилися невдалими. Однак у 2016 році дослідники Мюнхенського університету імені Людвіга Максиміліана опосередковано підтвердив своє існування шляхом вимірювання емісії електронів у процесі, що називається внутрішнім перетворенням, у якому енергія ядерного розпаду іонізує атом.

Фізики вимірюють енергію найнижчого ядерного збудженого стану

Тепер Кремер і його колеги зробили перше пряме виявлення випромінюваних вакуумних ультрафіолетових фотонів шляхом вивчення збуджених іонів торію-229. Ідея, що лежить в основі, не нова, каже Кремер, але раніше дослідники намагалися це зробити, імплантувавши уран-233 у кристали, які можуть розпадатися до збудженого торію-229. Проблема, каже Кремер, полягає в тому, що це вивільняє понад 4 МеВ енергії в кристал, що «добре для вбивства раку, але дуже погано для нас», оскільки пошкоджує кристал, перешкоджаючи його оптичним властивостям.

Таким чином, у новій роботі дослідники використовували установку ISOLDE CERN для імплантації іонів актинію-229 у кристали фториду магнію та фториду кальцію. Вони можуть розпадатися до метастабільного збудженого ядра торію-229 шляхом β-розпаду, який виділяє на чотири порядки менше енергії в кристал. Таким чином, дослідники могли виявити фотони та виміряти енергію переходу. Остаточна точність все ще значно менша за невизначеність, необхідну для побудови годинника, і дослідники зараз працюють із лазерними фізиками, щоб уточнити це.

Кайл Белой з Національного інституту стандартів і технологій США вражений вимірюванням. «Ця система з торієм-229 має дуже значний потенціал як ядерний годинник і навіть більше, щоб згодом проводити випробування фундаментальної фізики», — говорить він. «У цій [роботі] вони спостерігають фотон, коли він випромінюється зі збудженого стану вниз до основного стану, і в кінцевому підсумку мета спільноти тут — зробити зворотне. Вузька смуга частот, яку поглинає ядро, становить порядок мілігерців, тоді як наскільки добре ми знаємо, що це приблизно 10¹² Гц, тож це як голка в стозі сіна, і по суті вони зменшили розмір стоги сіна в сім разів. Це великий крок вперед для тих, хто хоче захопити перехід».

Дослідження описано в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/