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