Fizikai pademonstravo visus atominio laikrodžio - įtaisų, matuojančių laiką, komponentus matuojant mažus energijos pokyčius atominiame branduolyje. Tokie laikrodžiai gali žymiai pagerinti tikslumo matavimus, taip pat naujos įžvalgos apie pagrindinę fiziką.

Tyrėjai išmatuojo šviesos, sukeliančios reto izotopo torio -229 branduolius, dažnį, kad perėjimas į aukštesnę energijos būseną - atominio laikrodžio „laikrodis“, kurio tikslumas yra 100 000 kartų didesnis nei ankstesnė geriausia vertė. Jie tai pasiekė sinchronizuodami energijos migraciją su tiksliausio pasaulio laikrodžio laikrodžiu. Darbui vadovavo Jun Ye Jila, Bouldero (Kolorado) tyrimų instituto, paskelbtas rugsėjo 5 d., „Gamtoje“. „Tai tikrai vienas įdomiausių pastarojo meto atminties dokumentų“, - sako Marianna Safronova, Delavero universiteto Niuarke, branduolinė fizikė.

Proveržis įvyko tiriant torio-229 branduolius su lazeriniu įtaisu, vadinamu dažnio šukomis. Sąranka nėra techniškai laikrodis, nes jis dar nebuvo naudojamas laiko matuoti. Tačiau dėl tokių įspūdingų rezultatų atominio laikrodžio kūrimas tampa įmanomas, sako „Safronova“.

Laikrodžio matavimai jau yra naudingi dalelių fizikai, sako Elina Fuchs, teorinis fizikas Leibnizo universiteto Hanoveryje, Vokietijoje. Ir kadangi laikrodžio dažnį lemia pagrindinės jėgos, kurios laiko branduolį kartu, prototipas galėtų nustatyti, ar tamsiosios medžiagos rūšis - nematoma medžiaga, sudaranti apie 85% visatoje esančio dalyko - daro įtaką šioms jėgoms mažu mastu. „Tai yra naujas, tiesioginis langas į branduolinę energiją“, - sako Fuchsas.

Galutiniai laikrodžiai

Geriausi pasaulyje laikrodžiai, vadinami atominiais laikrodžiais, išmatuoja laiką naudojant lazerius - šviesos dažnis tiksliai sureguliuojamas norint pasiekti energiją, reikalingą elektronams judėti tarp dviejų energijos lygių atomo metu. Tiksliausias atominis laikrodis padidėja arba praranda tik vieną sekundę kas 40 milijardų metų. Atominis laikrodis veiktų šiek tiek skirtingai: laikrodis atitiktų protonų ir neutronų, o ne elektronų energijos perėjimus, nes jie patektų į sužadintą būseną.

Šis energijos poslinkis reikalauja šiek tiek aukštesnio ultravioletinių spindulių dažnio, todėl greitesnis laikas, kuris gali atitikti ar viršyti atominio laikrodžio tikslumą. Tačiau didžiausias atominio laikrodžio pranašumas yra jo tikslumo ir stabilumo derinys. Dalelės branduolyje yra mažiau jautrios nei elektronai su trikdžiais, tokiais kaip elektromagnetiniai laukai - tai reiškia, kad atominis laikrodis gali būti nešiojamas ir tvirtas. „Tai tampa nejautri taip, kaip sunku įsivaizduoti, kaip šiandien veikia mūsų laikrodžiai“, - sako Anne Curtis, eksperimentinė fizikė Nacionalinėje fizinėje laboratorijoje Teddingtone, Jungtinėje Karalystėje.

Tačiau surasti tinkamą atominio branduolio tipą naudoti ir nustatyti dažnį, reikalingą norint jį perkelti į kitokią energijos būseną, fizikams buvo 50 metų šleifas. Aštuntajame dešimtmetyje netiesioginiai įrodymai rodo, kad torio-229 buvo keistai mažai energijos vartojančios branduoliniai perėjimai-tokį, kurį ilgainiui gali sukelti stalviršio plazma. Tačiau tik praėjusiais metais mokslininkai atrado reikalingą dažnį - ir šiais metais jie sėkmingai inicijavo perėjimą su lazeriu.

„Jila“ komanda ieškojo pereinamojo dažnio trilijonuose torio-229 atomuose, įterptuose į kristalą, naudojant sistemą, vadinamą dažnių šukomis. Šukos sukuria daugybę lazerio dažnių linijų, kurios yra reguliariai ir tolygiai išdėstytos. Tai leidžia tyrėjams apšviesti kristalą daugeliu tikslių dažnių vienu metu, kad būtų galima ieškoti smūgio, o ne sunkiai nuskaitydami galimų variantų spektrą su vieno dažnio lazeriu.

Šukos parametrai, įskaitant tarpų tarp linijų ar „dantų“ pločio, buvo kalibruojami naudojant atominį laikrodį ir buvo galima sureguliuoti. Komanda atliko kelis eksperimentinius važiavimus ir, stebint būdingą spindesį, kuris atsiranda, kai torio-229 atomai žlugo iš sužadintos būsenos, jie naudojo parametrus, kad apskaičiuotų signalą kontroliuojantį dažnį.

Pirmą kartą stebėdamas perėjimą „jautėsi nuostabiai“, sako tyrimo bendraautorius Chuankun Zhang, Jila fizikas. „Mes visą naktį išbandėme, norėdami patikrinti, ar tai iš tikrųjų buvo tas signalas, kurio ieškome“, - sako jis.

Pagrindinės jėgos

Dažnio šukos ypatingas dalykas yra tai, kad ji leidžia fizikams išmatuoti laikrodžio dažnio laikrodį - čia torio -229 šerdis - kaip santykis su kitu žinomu dažniu, šiuo atveju atominį laikrodį. Tai ne tik leido komandai labai tiksliai nustatyti absoliučią dažnio vertę, bet ir atvėrė keletą įdomių fizikos galimybių, sako Zhang.

Jei vieno laikrodžio greitis keičiasi laikui bėgant, palyginti su kitu, tai gali parodyti, kad veiksniai, lemiantys energijos lygį, pavyzdžiui, stiprią branduolinę ar elektromagnetinę jėgą, yra dreifuojantys ar svyruojantys, sako FUCHS. Manoma, kad tam tikros „lengvos“ tamsiosios medžiagos formos, kurios turi ypač mažą masę, turi šį poveikį, sako ji.

Bet koks jėgų pokytis būtų sustiprintas šerdies vidinės migracijos dažniu, todėl atominiai laikrodžiai gali būti maždaug 100 milijonų kartų jautresni tokio tipo tamsiosios medžiagos poveikiui nei atominiai laikrodžiai. Naujausias rezultatas, kuris nustato 13 dešimtainių vietų tikslumo dažnį, jau yra pakankamai tikslus, kad susiaurintų galimus energijos diapazonus, kuriuose galėtų egzistuoti šviesos tamsioji medžiaga, sako Fuchs. Branduolinė fizika taip pat gali būti naudinga tikslesniam perėjimo dažniui, kuris galėtų padėti mokslininkams atskirti skirtingas galimas torio-229 branduolio formas.

Tačiau reikia atlikti daugiau darbo, kad atominiai laikrodžiai galėtų pranokti atominius laikrodžius, kurie šiuo metu yra tikslūs iki 19 dešimtųjų tikslumui. Tyrėjai ištyrinės, ar prasminga išlaikyti torio -229 įterptą į kristalą - kieta medžiaga yra patogu atlikti nešiojamą laikrodį, ar įvardijant individualius atomus duos geresnius rezultatus.

Taip pat reikia optimizuoti lazerio sistemą. „Laimei, ši nuostabi technika turi didelį potencialą“, - sako Olga Kocharovskaya, Fizikė Teksaso A&M universitete, koledžo stotyje. Tai yra „šaltinio, kuris bus naudojamas būsimame laikrodyje, prototipas“, - priduria ji.