През май тази година се случи важно събитие в света на физиката: аспирантът Чуанкун Джан от изследователския институт JILA в Боулдър, Колорадо открива рядък и дългоочакван сигнал – ядрен преход в торий-229, известен като преход на „ядрения часовник“. Този преход, наблюдаван в експериментални условия е резултат от десетилетия изследвания и търсене на точната лазерна честота, която да го задейства. Наблюдението на сигнала беше потвърдено от екип учени, ръководен от Джун Е, разработчик на най-точната атомна система за измерване на времето. Работата, публикувана вчера в списание Nature слага край на дългото търсене на ядрен часовник и е третото подобно наблюдение, направено само за няколко месеца.
Измерването на екипа на JILA надминава предишните резултати по точност с милиони пъти.
През предходните месеци подобни изследвания бяха проведени от учени от Германия и Калифорния, но новият експеримент постигна пробив благодарение на най-доброто калибриране на лазера, необходим за предизвикване на този преход. Важно е да се отбележи, че този успех открива нови възможности във физиката: измерването на ядрения преход в торий-229 може да бъде основа за изследване на това дали фундаменталните закони на физиката се променят с времето.
Ядрото на торий-229 има уникални характеристики, които интересуват физиците още от 1976 гoдина когато този изотоп е изследван за първи път в Съединените щати като страничен продукт от изследванията на ядрените оръжия през Студената война. Обикновено ядрата на атомите изискват голяма енергия за възбуждане, но е установено, че торий-229 има изненадващо нисък енергиен праг. Това се дължи на почти пълното компенсиране на две фундаментални сили: електромагнитната и ядрената сила. Този баланс прави прехода на торий-229 особено чувствителен към най-малките промени в тези сили, което води до хипотезата, че преходът може да се използва за проверка на стабилността на физични константи.
Този преход, наричан още „ядрен часовник“ би могъл да се превърне в новия стандарт за измерване на времето, надминавайки точността на съществуващите атомни часовници.
Атомните часовници, като тези, базирани на цезиевия атом записват времето, като измерват честотата на електронните преходи между състоянията в атома. Ядрените часовници разчитат на подобен принцип, но с преходи в ядрото на атома, което дава много по-висока точност, тъй като ядрото на атома е защитено от външни влияния чрез своя електронен облак.
Наблюдението на сигнала от торий-229 открива пътя за изследване на такива фундаментални въпроси като възможните промени във физичните константи като скоростта на светлината, константата на Планк и други, които се смятат за непроменени през цялата история на Вселената.
Според някои теоретични модели, включително теорията на струните, тези константи може да не са абсолютно постоянни, а да се променят с времето или пространството. Например, една от теориите за тъмната материя предполага, че плътността на частиците, наречени аксиони може да предизвика колебания в силата на фундаменталните взаимодействия, което би могло да повлияе на фината настройка на ядрените състояния.
Първите намеци за необичайните свойства на торий-229 се появяват през 1976 година, когато учените Лари Крогер и Чарлз Райх от Националната лаборатория на Айдахо изследват радиацията от отпадъците от производството на уран. Те откриват, че за възбуждането на ядрото на торий-229 е необходима 10 000 пъти по-малко енергия, отколкото при типичен ядрен преход. През 1990 година Райх преразглежда резултатите си и установява, че енергията на този преход е дори по-ниска от първоначално смятаната, което го прави още по-интересен за по-нататъшни изследвания.
Това откритие е повратна точка, тъй като за първи път е възможно да се използват конвенционални ултравиолетови лазери за контролиране на този процес.
В началото на 2000 година физиците предложиха да се използва торий-229 за създаване на нов свръхточен часовник. За целта обаче трябваше да се определи точно енергията, необходима за възбуждане на ядрения преход. Изследователите се сблъскаха със сериозен проблем: известната досега оценка на енергията на прехода беше твърде неточна и трябваше да се тестват хиляди различни лазерни вълни по метода на „проба грешка“.
Ситуацията се променя през 2023 година, когато екип от учени от ЦЕРН успява да направи измерване, което стеснява обхвата на възможните лазерни дължини на вълните, което значително ускорява търсенето.
През април тази година европейска група съобщи за възбуждане на прехода с помощта на лазер за първи път, а през лятото подобен резултат беше постигнат в Калифорния.
Групата на Джун Йе в JILA също участваше активно в надпреварата, като разработи свой собствен лазер за прецизно възбуждане на торий-229. Тяхната система позволяваше да се тестват едновременно няколко дължини на вълната, което доведе до успешното наблюдение на прехода с безпрецедентна точност.
Този пробив има далечни последици. В бъдеще учените ще могат да използват ядрени часовници за по-точни тестове на фундаменталните константи. Въпреки че настоящата точност на измерванията на прехода е една част на трилион, възможните промени във физичните константи биха могли да бъдат толкова малки, че откриването им ще изисква точност до една част на десет трилиона. Това може да отнеме години, но успехът на групата в JILA е първата стъпка към нови открития във физиката.
В крайна сметка изследванията на прехода на торий-229 биха могли не само да пренапишат стандартите на времето, но и да доведат до фундаментални промени в разбирането ни за структурата на Вселената.
Leave a Reply