Ядерный прорыв. Ученые приблизились к созданию самых точных часов в мире

Однако существует и потенциально новый вид часов, который может улучшить эту точность на порядок. Он основан на колебании ядер изотопа тория. Ядерные часы позволили бы достичь нового уровня точности для исследований фундаментальной физики, например, изменение фундаментальных констант, поиск темной материи или в качестве детектора гравитационных волн. Их можно использовать в различных приложениях, таких как геодезия или спутниковая навигация.

Хотя идея впервые была высказана в 2003 году, реализовать ее было сложно. Теперь, новое измерение колебания ядра тория-229 приблизило ученых на шаг ближе к реализации мечты о ядерных часах.

Как работают атомные часы? Атомы определенного элемента, такого как стронций или иттербий, облучаются лазерами. Это возбуждает электроны в атомных оболочках, заставляя их колебаться между двумя энергетическими состояниями. Эти колебания производятся переходами между уровнями энергии, которые возбуждаются электромагнитным излучением определенной длины.

Ядерные часы должны работать по тому же принципу, за исключением того, что вместо электронов колеблется само ядро.

Но большинство атомных ядер имеют высокие энергии перехода, от килоэлектронвольт до мегаэлектронвольт. Чтобы возбудиться достаточно для того, чтобы колебаться, этим ядрам требуется довольно значительное количество энергии - подумайте о гамма-лучах или рентгеновских лучах, а не о лазерах, - что делает их крайне непрактичными для использования для хронометража. У нас просто нет лазерных технологий, способных работать с этими энергиями.

Заметным исключением здесь является торий-229. Из тысяч известных атомных ядер возбужденное состояние ядра тория-229 является самым низким из известных в электронвольтном диапазоне. Оно настолько низкое, что его можно вызвать с помощью ультрафиолетового излучения.

Это отличная новость для усилий по созданию ядерных часов, но до окончания работ еще далеко. Чтобы определить точную длину волны ультрафиолетового света, необходимую для возбуждения ядра, и, следовательно, необходимую лазерную технологию, необходимо измерить точное изменение энергии между основным состоянием и возбужденным.

Было сделано несколько попыток, и каждая из них немного сузила круг вопросов. Но новая работа физика Томаса Сикорского из Гейдельбергского университета в Германии наиболее близко приблизилась к решению задачи.

Команда измерила испускаемое гамма-излучение, когда изотоп урана-333 распался на различные изомеры или молекулярные конфигурации тория-229, включая желаемый метастабильный изомер торий-229m. Этот метод использовался раньше, давая результаты 7,6 электронвольта и 7,8 электронвольта в 2007 и 2009 годах соответственно.

Однако команда Сикорского использовала новый, более точный метод измерения гамма-излучения. В качестве гамма-спектрометра они разработали криогенный магнитный микрокалориметр. Гамма-излучение попадает на поглощающую пластину и преобразуется в тепло. Затем это преобразуется в изменение намагниченности датчиков, которое может быть переведено в энергию перехода.

«Этот эксперимент дополняет эксперимент с конверсионными электронами в том смысле, что энергия изомера извлекается непосредственно из экспериментальных данных, не прибегая к расчетам», - говорит Томас Сикорский. «Единственная значительная погрешность в нашем эксперименте - это статистическая ошибка».

С помощью этого нового метода измерения, команда обнаружила, что энергия перехода составляет 8,1 электронвольт, что соответствует длине волны возбуждения 153,1 нанометра.

Это очень близко к измерениям, выполненным в прошлом году с использованием другой техники, которые показали, что энергия составляет 8,28 электронвольт, что соответствует длине волны 149,7 нм. Итак, ученые приближаются к решению и лазеры в этом диапазоне длин волн не невозможны - просто нужно их построить.

Поскольку, как отметили исследователи, единственная неопределенность является статистической, выполнение большого количества измерений должно значительно уменьшить эту неопределенность. Это означает, что ядерные часы теперь более достижимы, чем когда-либо, пишет ScienceAlert.