Zadziwiający przełom nuklearny może przepisać podstawowe stałe natury

Odkrycia mogą doprowadzić do stworzenia najdokładniejszego zegara w historii, ułatwiając postęp w nawigacji i komunikacji w przestrzeni kosmicznej.

Zastosowanie lasera do podniesienia stanu energetycznego atomjądro, znane jako wzbudzenie, może doprowadzić do opracowania najdokładniejszych zegarów atomowych. Proces ten stanowi wyzwanie, ponieważ elektrony otaczające jądro są bardzo reaktywne na światło, co wymaga oddziaływania większej ilości światła na jądro. Uniwersytet Kalifornijski fizycy przezwyciężyli ten problem, wiążąc elektrony z fluorem w przezroczystym krysztale, co pozwoliło im wzbudzić neutrony w jądrze atomu toru przy użyciu umiarkowanej ilości światła laserowego. To osiągnięcie otwiera drogę do znacznie dokładniejszych pomiarów czasu, grawitacji i innych pól, znacznie przewyższających prąd dokładność poziomy dostarczane przez elektrony atomowe.

Przez prawie pół wieku fizycy przewidywali możliwości, jakie mogą wyniknąć z podniesienia stanu energetycznego jądra atomu za pomocą lasera. Ten przełom umożliwiłby zastąpienie obecnych zegarów atomowych zegarem nuklearnym, najdokładniejszym urządzeniem do pomiaru czasu, jakie kiedykolwiek wymyślono. Taka precyzja zrewolucjonizowałaby takie dziedziny, jak nawigacja i komunikacja w przestrzeni kosmicznej.

Pozwoliłoby to także naukowcom dokładnie zmierzyć, czy podstawowe stałe przyrody są rzeczywiście stałe, czy tylko tak się wydaje, ponieważ nie zmierzyliśmy ich jeszcze wystarczająco precyzyjnie.

Teraz dzięki wysiłkom pod przewodnictwem Erica Hudsona, profesora fizyki i astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, udało się dokonać pozornie niemożliwego. Osadzając atom toru w wysoce przezroczystym krysztale i bombardując go laserami, grupie Hudsona udało się sprawić, że jądro atomu toru absorbowało i emitowało fotony podobnie jak elektrony w atomie. Zdumiewający wyczyn opisano w artykule opublikowanym w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.

Zwiększone możliwości pomiarowe

Oznacza to, że pomiary czasu, grawitacji i innych pól, które obecnie wykonuje się przy użyciu elektronów atomowych, można wykonywać z dokładnością o rząd wielkości większą. Powodem jest to, że na elektrony atomowe wpływa wiele czynników w ich otoczeniu, co wpływa na sposób, w jaki absorbują i emitują fotony oraz ogranicza ich dokładność. Z drugiej strony neutrony i protony są związane i silnie skoncentrowane w jądrze i podlegają mniejszym zakłóceniom środowiskowym.

Korzystając z nowej technologii, naukowcy mogą być w stanie określić, czy podstawowe stałe, takie jak stała drobnej struktury, która określa siłę siły utrzymującej atomy razem, różnią się. Wskazówki z astronomii sugerują, że stała drobnej struktury może nie być taka sama w całym wszechświecie i we wszystkich momentach czasu. Precyzyjny pomiar stałej drobnej struktury przy użyciu zegara jądrowego mógłby całkowicie przepisać niektóre z najbardziej podstawowych praw natury.

„Siły jądrowe są tak silne, że oznacza to, że energia w jądrze jest milion razy silniejsza niż energia widoczna w elektronach, co oznacza, że ​​jeśli podstawowe stałe natury odbiegają od normy, wynikające z tego zmiany w jądrze są znacznie większe i bardziej zauważalne, dzięki czemu pomiary są o rząd wielkości bardziej czułe” – powiedział Hudson. „Wykorzystanie zegara nuklearnego do tych pomiarów zapewni najczulszy jak dotąd test „stałej zmienności” i prawdopodobnie żaden eksperyment przez następne 100 lat nie będzie mu dorównywał”.

Grupa Hudsona jako pierwsza zaproponowała serię eksperymentów mających na celu stymulację laserem jąder toru-229 domieszkowanych w kryształy i spędziła ostatnie 15 lat pracując nad osiągnięciem nowo opublikowanych wyników. Doprowadzenie neutronów w jądrze atomowym do reakcji na światło lasera jest wyzwaniem, ponieważ są otoczone elektronami, które łatwo reagują na światło i mogą zmniejszyć liczbę fotonów faktycznie zdolnych dotrzeć do jądra. Cząstka, która podniosła swój poziom energii, na przykład w wyniku absorpcji a fotonmówi się, że jest w stanie „podekscytowania”.

Wyzwania i innowacje w fizyce jądrowej

Zespół z UCLA umieścił atomy toru-229 w przezroczystym krysztale bogatym w fluor. Fluor może tworzyć szczególnie silne wiązania z innymi atomami, zawieszając atomy i odsłaniając jądro niczym mucha w pajęczej sieci. Elektrony były tak ściśle związane z fluorem, że ilość energii potrzebna do ich wzbudzenia była bardzo duża, co umożliwiało dotarcie światła o niższej energii do jądra. Jądra toru mogłyby następnie absorbować te fotony i ponownie je emitować, umożliwiając wykrycie i pomiar wzbudzenia jąder. Zmieniając energię fotonów i monitorując szybkość wzbudzania jąder, zespół był w stanie zmierzyć energię stanu wzbudzonego jądra.

„Nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie sterować takimi przemianami jądrowymi za pomocą lasera” – powiedział Hudson. „Jeśli utrzymasz tor w miejscu za pomocą przezroczystego kryształu, możesz z nim rozmawiać za pomocą światła”.

Hudson powiedział, że nowa technologia może znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest ekstremalna precyzja pomiaru czasu w wykrywaniu, komunikacji i nawigacji. Istniejące zegary atomowe oparte na elektronach to urządzenia wielkości pomieszczenia, wyposażone w komory próżniowe do wychwytywania atomów i sprzęt związany z chłodzeniem. Zegar nuklearny na bazie toru byłby znacznie mniejszy, solidniejszy, bardziej przenośny i dokładniejszy.

„Nikt nie ekscytuje się zegarami, ponieważ nie podoba nam się pomysł ograniczenia czasu” – powiedział. „Ale zegarów atomowych używamy cały czas, na co dzień, na przykład w technologiach, które tworzą nasze telefony komórkowe i GPS praca.”

Oprócz zastosowań komercyjnych nowa spektroskopia jądrowa może odsłonić zasłony niektórych największych tajemnic wszechświata. Czuły pomiar jądra atomu otwiera nowy sposób poznawania jego właściwości oraz interakcji z energią i środowiskiem. To z kolei umożliwi naukowcom przetestowanie niektórych z ich najbardziej podstawowych koncepcji dotyczących materii, energii oraz praw przestrzeni i czasu.

„Ludzie, podobnie jak większość życia na Ziemi, istnieją w skali albo o wiele za małej, albo o wiele za dużej, aby obserwować, co naprawdę może się dziać we wszechświecie” – powiedział Hudson. „To, co możemy zaobserwować z naszej ograniczonej perspektywy, to konglomerat efektów w różnych skalach wielkości, czasu i energii, a stałe naturalne, które sformułowaliśmy, wydają się utrzymywać na tym poziomie.

„Ale gdybyśmy mogli obserwować dokładniej, te stałe mogłyby się różnić! Nasza praca poczyniła duże postępy w kierunku tych pomiarów i tak czy inaczej, jestem pewien, że będziemy zaskoczeni tym, czego się dowiemy”.

„Przez wiele dziesięcioleci coraz precyzyjniejsze pomiary podstawowych stałych pozwoliły nam lepiej zrozumieć wszechświat we wszystkich skalach, a następnie opracować nowe technologie, które rozwijają naszą gospodarkę i wzmacniają nasze bezpieczeństwo narodowe” – powiedziała Denise Caldwell, pełniąca obowiązki zastępcy dyrektora Działu Matematyki i Fizyki NSF Dyrekcja ds. Nauki, która zapewniła finansowanie badań. „Ta technika oparta na jądrze może pewnego dnia pozwolić naukowcom na tak dokładny pomiar niektórych podstawowych stałych, że być może będziemy musieli przestać nazywać je „stałymi”.

Odniesienie: „Laser Excitation of the Th229 Nuclear Isomeric Transition in a Solid-State Host” autorstwa R. Elwella, Christiana Schneidera, Justina Jeeta, JES Terhune, HWT Morgan, AN Alexandrova, HB Tran Tan, Andrei Derevianko i Erica R. Hudsona, 2 lipca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.013201

Badania sfinansowała amerykańska Narodowa Fundacja Nauki.