Photon từ quá trình chuyển đổi đồng hồ hạt nhân cuối cùng cũng được nhìn thấy – Physics World

Photon từ quá trình chuyển đổi đồng hồ hạt nhân cuối cùng cũng được nhìn thấy – Physics World

Dấu thời gian: ngày 2 tháng 2023 năm 6 57:XNUMX sáng

ISOLDE tại CERN
Đường tia hạt nhân: ISOLDE tại CERN nhìn từ phía trên (Ảnh: CERN)

Phép đo trực tiếp đầu tiên đã được thực hiện về quá trình chuyển đổi hạt nhân thorium-229 có khả năng tạo thành cơ sở cho “đồng hồ hạt nhân”. Được thực hiện tại CERN, nghiên cứu theo sau một thí nghiệm năm 2016 đã xác nhận sự tồn tại của quá trình chuyển đổi nhưng không phát hiện ra photon phát ra. Vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi có thể tạo ra một chiếc đồng hồ hoạt động, nhưng nếu một thiết bị như vậy tỏ ra khả thi, thì nó có thể chứng tỏ là một công cụ quan trọng để nghiên cứu vật lý cơ bản.

Các đồng hồ chính xác nhất hiện nay dựa trên các nhóm nguyên tử bị bẫy quang học như strontium hoặc ytterbium. Các tia laze có độ ổn định cao bị khóa cộng hưởng với các tần số chuyển tiếp nguyên tử cụ thể, và các dao động của tia laze hoạt động hiệu quả giống như dao động của con lắc – mặc dù có tần số cao hơn nhiều và do đó có độ chính xác cao hơn. Những đồng hồ này có thể ổn định trong vòng 1 phần 1020, có nghĩa là chúng sẽ biến mất chỉ sau 10 mili giây sau 13.7 tỷ năm hoạt động – tuổi của vũ trụ.

Đồng hồ nguyên tử không chỉ là máy đo thời gian tuyệt vời, các nhà vật lý đã sử dụng chúng để nghiên cứu một loạt các hiện tượng cơ bản như cách áp dụng thuyết tương đối rộng của Einstein cho các nguyên tử bị giam cầm trong bẫy quang học. Để tìm kiếm độ chính xác cao hơn bao giờ hết và những hiểu biết sâu sắc hơn, vào năm 2003 Ekkehard Peik và Christian Tamm của Physikalisch-technische Bundesanstalt ở Braunschweig, Đức đề xuất rằng một chiếc đồng hồ có thể được tạo ra bằng cách thẩm vấn không phải mức năng lượng điện tử của nguyên tử mà là mức năng lượng hạt nhân.

Anten nhỏ hơn nhiều

Một chiếc đồng hồ hạt nhân như vậy sẽ được cách ly rất tốt với tiếng ồn bên ngoài. “Một nguyên tử giống như 10-10 m [ngang qua]; một hạt nhân giống như 10-14 hoặc 10-15 tôi,” giải thích Sandro Kraemer của KU Leuven ở Bỉ, người đã tham gia vào nghiên cứu mới nhất này. “Hạt nhân là một ăng-ten nhỏ hơn nhiều đối với môi trường và do đó ít bị dịch chuyển hơn nhiều.”

Do đó, đồng hồ hạt nhân có thể là một công cụ thăm dò tuyệt vời về các biến thiên thời gian rất nhỏ theo giả thuyết trong các giá trị của hằng số cơ bản chẳng hạn như hằng số cấu trúc tinh tế, định lượng cường độ của tương tác điện từ. Bất kỳ thay đổi nào như vậy sẽ chỉ ra vật lý ngoài Mô hình Chuẩn. Hơn nữa, liên kết hạt nhân mạnh hơn so với đối tác nguyên tử của nó, do đó, sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng sẽ có năng lượng cao hơn và sẽ cộng hưởng với các tia laser tần số cao hơn, khiến cho sự thay đổi nhỏ hơn có thể được phát hiện.

Tuy nhiên, đây là con dao hai lưỡi vì hầu hết các quá trình chuyển đổi hạt nhân xảy ra ở tần số cao hơn nhiều so với tần số có thể được tạo ra bởi các tia laser ngày nay. Tuy nhiên, Thorium-229 có trạng thái kích thích siêu bền khoảng 8 eV so với trạng thái cơ bản – một quá trình chuyển đổi nằm trong vùng cực tím chân không.

Thích hợp cho kích thích

Kraemer giải thích rằng việc chế tạo một tia laze để kích thích trạng thái này gần như là có thể thực hiện được, “Trong số khoảng 3000 hạt nhân phóng xạ mà chúng ta biết ngày nay, thorium là loại duy nhất mà chúng ta biết có trạng thái phù hợp với sự kích thích bằng tia laze”.

Tuy nhiên, trước tiên, các nhà nghiên cứu cần biết tần suất chính xác của quá trình chuyển đổi. Thật vậy, sự phân rã đã được dự đoán từ lâu theo lý thuyết, nhưng những nỗ lực phát hiện photon phát ra đã không thành công. Tuy nhiên, vào năm 2016, các nhà nghiên cứu tại Đại học Ludwig Maximilian ở Munich đã gián tiếp xác nhận sự tồn tại của nó bằng cách đo sự phát xạ của các electron trong một quá trình gọi là chuyển đổi bên trong, trong đó năng lượng của sự phân rã hạt nhân làm ion hóa nguyên tử.

Giờ đây, Kraemer và các đồng nghiệp đã thực hiện phát hiện trực tiếp đầu tiên về các photon cực tím chân không phát ra bằng cách nghiên cứu các ion thorium-229 bị kích thích. Kraemer nói rằng ý tưởng cơ bản không phải là mới, nhưng trước đây các nhà nghiên cứu đã cố gắng thực hiện điều này bằng cách cấy uranium-233 vào các tinh thể, tinh thể này có thể phân hủy thành thorium-229 bị kích thích. Kraemer nói, vấn đề là điều này giải phóng hơn 4 MeV năng lượng vào tinh thể, năng lượng này “tốt cho việc tiêu diệt ung thư, nhưng thực sự không tốt cho chúng ta” vì nó làm hỏng tinh thể, cản trở tính chất quang học của nó.

Do đó, trong công trình mới này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cơ sở ISOLDE của CERN để cấy các ion actini-229 vào các tinh thể magie florua và canxi florua. Chúng có thể phân rã thành hạt nhân thorium-229 bị kích thích siêu bền bằng phân rã β, giải phóng bốn bậc năng lượng nhỏ hơn vào tinh thể. Do đó, các nhà nghiên cứu có thể phát hiện ra các photon và đo năng lượng chuyển tiếp. Độ chính xác cuối cùng vẫn còn thấp so với độ không đảm bảo cần thiết để chế tạo đồng hồ và các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc với các nhà vật lý laser để tinh chỉnh điều này.

Kyle Beloy của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ rất ấn tượng về phép đo. Ông nói: “Có tiềm năng rất đáng kể đối với hệ thống thorium-229 này như một chiếc đồng hồ hạt nhân và thậm chí còn hơn thế nữa để thực hiện các thử nghiệm vật lý cơ bản. “Trong [công trình] này, họ quan sát một photon khi nó phát ra từ trạng thái kích thích xuống trạng thái cơ bản, và mục tiêu cuối cùng của cộng đồng ở đây là làm ngược lại. Dải tần số hẹp mà hạt nhân sẽ hấp thụ ở mức milihertz, trong khi chúng ta biết rõ đến mức nào thì ở mức 1012 Hz, vì vậy nó giống như mò kim đáy bể, và về cơ bản những gì họ đã làm là giảm kích thước của đống cỏ khô xuống XNUMX lần. Đó là một bước tiến lớn đối với bất kỳ ai đang tìm cách kích thích quá trình chuyển đổi.”

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý