Фізики вперше запустили ядерні годинники — вони можуть перевершити атомні за точністю та допомогти в пошуках темної матерії

Група фізиків вперше продемонструвала працездатні ядерні годинники — пристрій для вимірювання часу, який базується не на переходах електронів між енергетичними рівнями, як у сучасних атомних годинниках, а на переходах всередині атомного ядра. Ідея таких годинників була запропонована ще кілька десятиліть тому, однак реалізувати її на практиці вдалося лише зараз.

Джерело зображення: ChatGPT

Сучасні атомні годинники вважаються найточнішими вимірювальними приладами у світі. Вони відстежують частоту переходів електронів між енергетичними станами в атомах цезію або рубідію і здатні помилятися менш ніж на одну секунду за сотні мільйонів років роботи. Однак ядерні годинники використовують інший принцип: їх «маятником» слугують коливання атомного ядра.

Ключовим елементом нового пристрою став ізотоп торію-229. Його унікальна особливість полягає в наявності надзвичайно низькоенергетичного ядерного переходу між основним і збудженим станами ядра. Енергія цього переходу становить близько 8,4 еВ, що дозволяє збуджувати його за допомогою ультрафіолетового лазера. Більшість відомих ядерних переходів супроводжуються випромінюванням високоенергетичних гамма-квантів, тому керувати ними за допомогою лазерів неможливо. Торій-229 виявився рідкісним винятком, завдяки чому дослідники змогли використати його як основу для нового пристрою.

У створеному прототипі годин лазер налаштовується на строго визначену частоту, що відповідає переходу ядра торію-229. Поглинання і подальше переизлучення фотонів формують стабільні коливання, які виконують роль «тиків» годин.

У новому експерименті ядра торію-229 були вбудовані в кристал фториду кальцію. Цей матеріал прозорий для ультрафіолетового випромінювання потрібної довжини хвилі і надійно фіксує атоми в кристалічній решітці, знижуючи вплив теплових коливань. Сигнал годин формуються колективними коливаннями великої кількості ядер одночасно, що покращує точність вимірювань.

Вчені вважають, що в перспективі ядерні годинники зможуть перевершити атомні за стабільністю. Оскільки розміри атомного ядра в тисячі разів менші розмірів електронної оболонки, воно значно слабше піддається впливу зовнішніх електромагнітних полів та інших факторів навколишнього середовища, здатних вносити похибки в вимірювання.

Концепція ядерних годин була запропонована ще в 1970-х роках, однак довгий час її реалізацію стримувало відсутність точних даних про характеристики переходу в торії-229. Лише в останні роки серія експериментів дозволила визначити його параметри з необхідною точністю. У 2024 році дослідники зі спільного інституту JILA, створеного за участю Університету Колорадо в Боулдері та Національного інституту стандартів і технологій США (NIST), змогли досить точно виміряти частоту переходу для подальшого лазерного збудження ядра.

Автори роботи підкреслюють, що нинішній прототип поки що поступається найкращим оптичним атомним годинникам за точністю. Однак сам факт створення працездатної архітектури розглядається як важливий крок уперед. Подальше вдосконалення лазерних систем і підвищення якості кристалів повинні значно поліпшити характеристики пристрою.

Окрім надточного вимірювання часу, ядерні годинники можуть стати новим інструментом фундаментальної фізики. На відміну від атомних годин, чутливих головним чином до електромагнітних взаємодій, ядро безпосередньо пов'язане зі слабо та сильно ядерними взаємодіями. Завдяки цьому такі прилади здатні реєструвати надзвичайно малі зміни фундаментальних фізичних констант.

Дослідники вважають, що порівняння показань ядерних і оптичних атомних годин може допомогти в пошуках надлегкої темної матерії. Згідно з рядом теоретичних моделей, вона здатна викликати ледь помітні періодичні зміни фундаментальних констант під час руху Землі через відповідні поля. Крім того, нові годинники можуть використовуватися для перевірки гіпотез про можливі зміни фізичних констант на космологічних часових масштабах, що має безпосереднє відношення до досліджень темної енергії та еволюції Всесвіту.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки