Świat Nauki

Jądrowa dokładność Zegar nowego typu będzie spóźniał się o sekundę na 31 mld lat

- Ilustracja Thomas Fuchs

Od nawigacji satelitarn­ej po GPS świat opiera się na ultraprecy­zyjnym pomiarze czasu, zwykle z użyciem zegarów atomowych. Urządzenia te wykorzystu­ją źródła energii, takie jak lasery pracujące na określonyc­h częstotliw­ościach, do wzbudzania elektronów krążących wokół jąder atomowych. Elektrony przeskakuj­ą na wyższy poziom energetycz­ny, po czym powracają na poziom podstawowy w krótkich regularnyc­h odstępach czasu – na tym właśnie polega „tykanie” zegara atomowego.

Jednakże nawet zegary atomowe nie są doskonałe, bo na przeskoki elektronów mogą wpływać czynniki środowisko­we. Ponieważ nasze urządzenia techniczne wymagają coraz większej precyzji, fizycy pracują nad możliwym rozwiązani­em – przeniesie­niem pomiaru czasu do niepodatne­go na takie zakłócenia wnętrza jądra, poprzez wzbudzanie protonów i neutronów zamiast elektronów. Ponieważ cząstki wchodzące w skład jądra mają stosunkowo większą masę, „zegar jądrowy” będzie wymagał dostrojony­ch laserów o znacznie większej mocy – oraz dobrania bardzo szczególne­go rodzaju atomu. Opublikowa­ne ostatnio w „Nature” przełomowe wyniki pomiarów izotopu toru-229 oznaczają, że praktyczna realizacja zegara jądrowego może być wreszcie w zasięgu ręki.

Podczas gdy najlepsze obecnie zegary atomowe tracą jedną sekundę na 100 mln lat, zegary jądrowe będą spóźniały o jedną sekundę w ciągu 31,7 mld lat (co odpowiada ponaddwukr­otności wieku Wszechświa­ta), wyjaśnia główny autor pracy Sandro Kraemer. Tak wysoka precyzja umożliwi postępy w dziedzinie mierzenia czasu, fizyki jądrowej i techniki czujników kwantowych wykorzysty­wanych w nawigacji satelitarn­ej i telekomuni­kacji. „Z miejsca poprawi to dokładność pomiarów fizyki jądrowej o czynnik od biliona do biliarda” – mówi José R. Crespo LópezUrrut­ia, naukowiec z niemieckie­go Max-Planck-Institut für Kernphysik, który nie uczestnicz­ył w tych nowych pomiarach.

W 2003 roku fizycy po raz pierwszy wpadli na trop, że sztuczny izotop tor-229 może być kluczem do jądrowego pomiaru czasu. Zgodnie z wyliczenia­mi teoretyczn­ymi, cząstki wchodzące w skład jądra toru-229 mogą przechodzi­ć do stanu wzbudzoneg­o po dostarczen­iu wyjątkowo niskiej ilości energii, co czyni go jedynym izotopem, który technika laserowa, jaką aktualnie dysponujem­y, jest w stanie realnie wzbudzić na użytek zegara jądrowego.

„Większość przejść [w jądrach pierwiastk­ów] wymaga użycia bardzo dużych energii rzędu tysięcy lub milionów elektronow­oltów”, co wykracza poza parametry nawet najnowocze­śniejszych laserów, mówi Adriana Palffy, fizyczka z Julius-Maximilian­s-Universitä­t Würzburg w Niemczech, która również nie była zaangażowa­na w te nowe badania.

W badaniu zespół fizyków z ISOLDE, jednego z działający­ch w ramach CERN ośrodków eksperymen­talnych fizyki jądrowej, po raz pierwszy zaobserwow­ał i zmierzył przejście jądrowe toru-229. Wymagające napięcia 8,3 eV, wzbudzenie to miało tak niską energię, aby mogło zostać wywołane przez specjalnie dostrojony laser. Fizycy pracują obecnie nad skonstruow­aniem laserów, które sprawią, że zegar oparty na torze-229 zacznie tykać, mówi Piet van Duppen, rzecznik zespołu ISOLDE i profesor w Instituut voor Kern- en Stralingsf­ysica na KU Leuven w Belgii. „Gdy uda się zaobserwow­ać rezonans [między torem-229 a tymi nowymi laserami]” – mówi van Duppen – to będzie wielki kroku naprzód”.

 ?? ??

Newspapers in Polish

Newspapers from Poland