Новый уровень точности: разработка ядерных часов
Две независимые группы исследователей успешно продемонстрировали первые в мире функциональные ядерные часы, что знаменует собой важный сдвиг в метрологических технологиях. В отличие от традиционных атомных часов, работающих на переходах электронов в атоме, эти устройства используют квантовые энергетические состояния атомного ядра. Результаты, представленные командами под руководством Торстена Шумма из Венского технического университета и Шицяня Дина из Университета Цинхуа, были опубликованы в Physics Magazine.
На протяжении десятилетий атомные часы оставались золотым стандартом измерения времени. Используя энергетические уровни электронов, они обеспечивают невероятную точность. Однако из-за высокой чувствительности электронов к внешним электромагнитным полям, атомные часы требуют сложной инфраструктуры, включая камеры со сверхвысоким вакуумом и системы лазерного охлаждения. Ядерные часы предлагают потенциально более надежную и точную альтернативу, поскольку ядро защищено электронной оболочкой, что делает его менее восприимчивым к внешним помехам.
Роль изотопа торий-229
Основой этого прорыва стало использование редкого изотопа торий-229. Физики давно определили этот изотоп как наиболее подходящий для хронометрии, так как его первое возбужденное ядерное состояние требует относительно низкой энергии — около 8,4 электрон-вольт. Этот диапазон доступен для современных узкополосных ультрафиолетовых лазеров.
Исследовательским группам удалось стабилизировать частоту лазеров, привязав её к ядерным переходам тория-229. Хотя текущие прототипы показывают стабильность, соответствующую потере или набегу одной секунды за период от 3 до 19 миллионов лет, они уже превосходят многие существующие стандарты частоты. Ученые полагают, что объединение мощных лазерных источников с кристаллами, содержащими высокую концентрацию тория, позволит значительно повысить точность, в перспективе превзойдя лучшие оптические атомные часы.
Исследования за пределами Стандартной модели
Помимо измерения времени, эти устройства открывают новые горизонты в фундаментальной физике. Поскольку ядерные часы управляются сильным ядерным взаимодействием, они обладают уникальной чувствительностью к явлениям, которые невозможно зафиксировать с помощью атомных часов. Это позволяет ученым вести поиск сверхлегкой темной материи, которая, согласно некоторым теориям, может вызывать микроскопические колебания фундаментальных физических констант.
Предварительные эксперименты уже позволили установить жесткие ограничения на взаимодействие темной материи с фотонами и сильным ядерным взаимодействием. Исследуя возможные расхождения в ходе ядерных и атомных часов, физики надеются обнаружить аномалии, указывающие на существование физики за пределами Стандартной модели. Возможность проведения таких высокоточных измерений при комнатной температуре без громоздких криогенных систем может значительно расширить возможности научных исследований в будущем.