核钟跃迁的光子终于被发现了——物理世界

第一次直接测量是对钍-229 核跃迁进行的，它有可能构成“核钟”的基础。 该研究是在 CERN 完成的，该研究是在 2016 年的一项实验之后进行的，该实验证实了跃迁的存在，但没有检测到由此产生的发射光子。 在生产工作时钟之前还有很多工作要做，但如果这种设备被证明是可行的，它可能会成为基础物理学研究的重要工具。

今天最精确的时钟是基于锶或镱等原子的光学捕获集合。 高度稳定的激光被锁定在与特定原子跃迁频率的共振中，激光振荡实际上表现得像钟摆摆动——尽管频率高得多，因此精度更高。 这些时钟可以稳定在 1 分之一以内²⁰，这意味着它们将在运行 10 亿年（宇宙年龄）后仅差 13.7 毫秒。

原子钟不仅是伟大的计时器，物理学家还用它们来研究一系列基本现象，例如爱因斯坦的广义相对论如何应用于限制在光阱中的原子。 为了寻求更高的精确度和更深入的洞察力，2003 年 埃克哈德·佩克（Ekkehard Peik） 德国布伦瑞克联邦物理技术中心的 Christian Tamm 和 Christian Tamm 提出，时钟可以通过询问原子的电子能级而不是原子能级来产生。

小得多的天线

这样的核时钟将与外部噪音隔离得非常好。 “一个原子就像 10^-10 m [横跨]; 一个原子核大约是 10^-14 或10^-15 米，”解释说 桑德罗克雷默 参与这项最新研究的比利时鲁汶大学的教授。 “原子核是环境的一个小得多的天线，因此更不容易发生变化。”

因此，核钟可能是一个很好的探测器，可以探测基本常数值的假设的、非常微小的时间变化，例如精细结构常数，它量化了电磁相互作用的强度。 任何此类变化都将指向标准模型之外的物理学。 此外，核结合比原子结合更强，因此能级之间的转换能量更高，并且会与更高频率的激光共振，从而检测到更小的变化。

然而，这是一把双刃剑，因为大多数核跃迁发生的频率比今天的激光所能产生的频率高得多。 然而，Thorium-229 具有比基态高约 8 eV 的亚稳态激发态——一种位于真空紫外线中的跃迁。

适合励磁

Kraemer 解释说，制造激光来激发这种状态应该是可能的，“在我们今天所知道的 3000 多个放射性核中，钍是我们所知道的唯一一种具有适合激光激发的状态”。

然而，首先，研究人员需要知道转变的确切频率。 事实上，衰变早已被理论所预测，但探测发射的光子的尝试被证明是不成功的。 然而，在 2016 年，慕尼黑路德维希马克西米利安大学的研究人员间接 证实了它的存在 通过测量称为内部转换的过程中的电子发射，在该过程中，核衰变的能量使原子电离。

物理学家测量最低核激发态的能量

现在，Kraemer 及其同事通过研究激发的钍 229 离子，首次直接检测了发射的真空紫外光子。 Kraemer 说，基本想法并不新鲜，但之前研究人员曾尝试通过将铀 233 植入晶体中来实现这一点，晶体可以衰变为激发态的钍 229。 Kraemer 说，问题在于这会向晶体中释放超过 4 MeV 的能量，这“有利于杀死癌症，但对我们来说真的很糟糕”，因为它会损坏晶体，干扰其光学特性。

因此，在这项新工作中，研究人员使用 CERN 的 ISOLDE 设备将锕 229 离子植入氟化镁和氟化钙晶体中。 这些可以通过 β 衰变衰变成亚稳态激发的钍 229 核，从而向晶体中释放四个数量级的能量。 因此，研究人员可以检测光子并测量跃迁能量。 最终的精度仍然远远低于构建时钟所需的不确定性，研究人员现在正在与激光物理学家合作以改进这一点。

凯尔贝洛伊 美国国家标准与技术研究所的测量结果给人们留下了深刻的印象。 他说：“这种钍 229 系统作为核时钟具有非常巨大的潜力，甚至更适合最终进行基础物理测试。” “在这项 [工作] 中，他们观察到一个光子从激发态发射到基态，最终社区的目标是反其道而行之。 原子核吸收的窄带频率为毫赫兹量级，而我们对它的了解程度为 10 量级¹² 赫兹，所以它就像大海捞针，基本上他们所做的是将大海捞针的大小减少七倍。 对于任何寻求激发过渡的人来说，这都是向前迈出的一大步。”

该研究描述于 自然.

• SEO 支持的内容和 PR 分发。 今天得到放大。
• 柏拉图爱流。 Web3 数据智能。 知识放大。 访问这里。
• 与 Adryenn Ashley 一起铸造未来。 访问这里。
• 使用 PREIPO® 买卖 PRE-IPO 公司的股票。 访问这里。
• Sumber: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/