May 25, 2023. От CERN
Атомные часы — самые точные хронометристы в мире. Основываясь на периодических переходах между двумя электронными состояниями атома, они могут отслеживать течение времени с точностью до одной квинтиллионной доли, а это означает, что они не потеряют и не выиграют ни секунды в течение 30 миллиардов лет — более чем в два раза больше возраста Вселенной.
В статье, опубликованной 24 мая в Nature, международная команда из центра ядерной физики ЦЕРНА ISOLDE сообщает о ключевом шаге на пути к созданию часов, которые были бы основаны на периодическом переходе между двумя состояниями атомного ядра — ядра изотопа элемента тория, тория-229.
Такие ядерные часы могли бы быть более точными, чем самые точные атомные часы на сегодняшний день, благодаря различному размеру и составляющим ядра по сравнению с атомом. Кроме того, это могло бы послужить чувствительным инструментом для поиска новых явлений, выходящих за рамки стандартной модели, которая в настоящее время является лучшим описанием субатомного мира. Например, это могло бы позволить исследователям отслеживать изменения фундаментальных констант природы с течением времени и искать сверхлегкую темную материю.
С 2003 года, когда Эккехард Пейк и Кристиан Тамм предложили ядерные часы, основанные на переходе между основным состоянием ядра тория-229 и первым, более высокоэнергетическим состоянием (называемым изомером), исследователи стремились наблюдать и характеризовать этот ядерный переход.
В течение двух десятилетий исследователи со все возрастающей точностью измеряли энергию изомера, точное значение которой требуется для разработки лазеров, обеспечивающих переход к изомеру. Однако, несмотря на большие усилия, им не удалось наблюдать свет, испускаемый при переходе изомера в основное состояние. Это явление, известное на языке физиков-ядерщиков как радиационный распад изомера, который имеет относительно длительный срок службы, является ключевым компонентом при разработке ядерных часов, поскольку оно позволило бы, помимо прочего, определять энергию изомера с более высокой точностью.
Команда, работающая в ISOLDE, теперь добилась этого, произведя ядра тория-229 в изомерном состоянии новым способом и исследовав ядра с помощью метода, называемого вакуумной ультрафиолетовой спектроскопией. Длина волны наблюдаемого света соответствует энергии изомера в 8,338 электронвольт (эВ) с погрешностью 0,024 эВ — значение, которое в семь раз точнее, чем предыдущие наиболее точные измерения.
Важным фактором успеха команды стало получение изомерных ядер тория-229 путем так называемого бета-распада изотопов актиния-229, которые были получены в ISOLDE и включены в кристаллы фторида кальция или магния.
«В настоящее время ISOLDE является одним из двух предприятий в мире, которые могут производить изотопы актиния-229», — говорит главный автор статьи Сандро Кремер. «Включив эти изотопы в кристаллы фторида кальция или магния, мы получили гораздо больше изомерных ядер тория-229 и увеличили наши шансы наблюдать их радиационный распад».
Новый подход к получению ядер тория-229 также позволил определить время жизни изомера в кристалле фторида магния. Знание этого срока службы необходимо для прогнозирования точности ядерных часов с торием-229, основанных на этой твердотельной системе. Измеренный длительный срок службы, а именно 16,1 минуты с погрешностью в 2,5 минуты, подтверждает теоретические оценки и указывает на то, что точность часов, сравнимая с точностью самых точных атомных часов на сегодняшний день, достижима.
«Твердотельные системы, такие как кристаллы фторида магния, являются одним из двух возможных вариантов создания будущих ядерных часов на основе тория-229», — говорит представитель команды Пит Ван Дюппен. «Наше исследование знаменует собой важный шаг в этом направлении, и оно будет способствовать разработке лазеров, необходимых для управления периодическим переходом, который заставил бы такие часы тикать».
More information: Sandro Kraemer et al, Observation of the radiative decay of the 229Th nuclear clock isomer, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05894-z
Provided by CERN
+ Explore further New measurement of nucleus of thorium-229 moves scientists step closer to a nuclear clock