To dopiero początek, ale przełom jest ogromny. Zegar jądrowy może kiedyś przebić zegary atomowe i wykrywać zmiany stałych fizycznych.
Najdziwniejszy zegar świata nie ma wskazówek, tarczy ani mechanizmu, który tyka w znajomy dla nas sposób. Jego sercem jest jądro atomu toru-229 zamknięte w krysztale fluorku wapnia i pobudzane ekstremalnie precyzyjnym światłem laserowym. Fizycy właśnie pokazali, iż taki zegar może naprawdę działać.
To przełom, na który czekano od dekad. Zegary atomowe już dziś należą do najdokładniejszych urządzeń pomiarowych w historii, ale zegar jądrowy obiecuje coś jeszcze bardziej niezwykłego, a mianowicie czas odmierzany nie przez elektrony krążące wokół atomu, ale przez samo jego jądro. A to może otworzyć drogę nie tylko do lepszej metrologii, ale także do polowania na ciemną materię.
To zegar, który tyka w jądrze atomu
Dzisiejsze zegary atomowe działają dzięki bardzo stabilnym przejściom energetycznym elektronów. Atom pochłania albo emituje promieniowanie o ściśle określonej częstotliwości, a naukowcy liczą te drgania jak ekstremalnie precyzyjne tyknięcia. Dzięki temu działają systemy czasu, nawigacja satelitarna, telekomunikacja i wiele eksperymentów fizycznych.
Zegar jądrowy zagląda do samego wnętrza atomu. Zamiast śledzić zachowanie elektronów, wykorzystuje przejście energetyczne w samym jądrze, czyli w układzie protonów i neutronów. Jądro jest znacznie mniejsze i lepiej odizolowane od zewnętrznego świata niż powłoka elektronowa. Powinno więc słabiej reagować na zakłócenia, takie jak pola elektryczne, pola magnetyczne czy zmiany temperatury.
Teoretycznie taki zegar powinien być bardziej stabilny i mniej podatny na zakłócenia. Problem jednak w tym, iż przez lata brakowało odpowiedniego jądra atomowego, które można byłoby pobudzać dzięki lasera. Większość przejść jądrowych wymaga bowiem znacznie większych energii, niż da się wygodnie wykorzystać w optycznych układach pomiarowych. Tor-229 okazał się tutaj wyjątkowym przypadkiem.
Tor-229 to wyjątkowy atom wprost stworzony do takiego zegara
Tor-229 ma niezwykle nisko położony stan wzbudzony jądra. To oznacza, iż jego jądro można przeskoczyć z jednego stanu energetycznego do drugiego dzięki światła laserowego z obszaru próżniowego ultrafioletu. W świecie fizyki jądrowej to absolutna osobliwość.
Przez lata właśnie tu tkwił problem. Naukowcy wiedzieli, iż taki zegar może być możliwy, ale musieli najpierw dokładnie ustalić energię przejścia, nauczyć się pobudzać jądro odpowiednim światłem i zbudować układ, który nie tylko dotknie tej częstotliwości, ale także będzie mógł stabilizować laser na tym przejściu. Dopiero wtedy można mówić o zegarze, a nie o samym pomiarze spektroskopowym.
Teraz dwa niezależne zespoły zrobiły ten krok. Europejski i chiński eksperyment wykorzystały podobną ideę: jądra toru-229 osadzono w kryształach fluorku wapnia i pobudzano laserem o długości fali około 148 nm. To bardzo trudny zakres światła, bo próżniowy ultrafiolet jest wymagający technicznie i źle znosi zwykłą optykę oraz powietrze.
Pierwszy zegar jądrowy wreszcie działa
Najważniejsza różnica między wcześniejszymi eksperymentami a obecnym przełomem jest dość prosta. Wcześniej naukowcy potrafili już obserwować przejście energetyczne w jądrze toru-229, ale to jeszcze nie wystarczało do zbudowania zegara. Trzeba było wykorzystać je jako stabilny punkt odniesienia dla lasera. Dopiero wtedy jądro atomu naprawdę zaczyna pełnić funkcję wahadła, które wyznacza rytm całego zegara.
Za jednym z przełomowych eksperymentów stoi międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu (TU Wien), współpracujących m.in. z niemieckim instytutem metrologicznym PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), Europejskim Laboratorium Promieniowania Synchrotronowego ESRF we Francji oraz kilkoma innymi ośrodkami badawczymi zajmującymi się fizyką jądrową i precyzyjnymi pomiarami czasu. To właśnie ta grupa ustabilizowała ciągły laser do przejścia jądrowego toru-229 w krysztale fluorku wapnia, a następnie porównała jego częstotliwość z niezwykle dokładnym zegarem jonowym opartym na iterbie.
To istotny krok, ponieważ wcześniej naukowcy potrafili już obserwować samo przejście jądrowe, ale nie wykorzystywali go jako aktywnego wzorca częstotliwości. Austriacko-niemiecki zespół pokazał, iż można zamknąć pełną pętlę działania zegara i stabilizować laser bezpośrednio na przejściu jądrowym.
Niezależnie podobny rezultat osiągnęła grupa badaczy z Chin, kierowana przez naukowców związanych z Chińskiej Akademii Nauk. Tam również wykorzystano jądra toru-229 osadzone w krysztale oraz własny system laserowy pracujący w zakresie próżniowego ultrafioletu. Chiński eksperyment stanowi ważne potwierdzenie, iż efekt nie jest jednorazowym sukcesem pojedynczego laboratorium, ale da się go odtworzyć inną metodą i na innym sprzęcie.
Oba wyniki są na razie preprintami, czyli pracami opublikowanymi przed formalną recenzją naukową. Mimo to dla środowiska fizyków ich znaczenie jest duże: po kilkudziesięciu latach teoretycznych analiz i prób laboratoryjnych zegary jądrowe przeszły z etapu koncepcji do etapu działających prototypów.
Ten zegar nie pozostało rekordzistą. Właśnie to jest najciekawsze
Warto jednak zachować trochę ostrożności. Nowy zegar jądrowy nie bije jeszcze rekordów dokładności należących do najlepszych zegarów atomowych. To wciąż bardzo wczesny prototyp, który wymaga skomplikowanej optyki, specjalnych kryształów i wielu dalszych usprawnień.
Europejski zegar osiągał niestabilność częstotliwości zbliżającą się do poziomu 10 do potęgi minus 15 po około dobie pracy. To świetny wynik jak na pierwszy działający układ tego typu, ale najlepsze zegary atomowe potrafią więcej. Różnica polega na potencjale. Zegary atomowe są rozwijane od wielu dekad. Zegar jądrowy dopiero wystartował.
Jeśli uda się poprawić lasery, kryształy, odczyt i kontrolę środowiska, jądrowe zegary mogą w przyszłości stać się nie tylko bardzo dokładne, ale także bardziej kompaktowe i odporne. Kryształ zawiera ogromną liczbę jąder toru-229, więc w jednym małym kawałku materiału można mieć wielki zbiór identycznych tykających obiektów. To zupełnie inna architektura, niż pojedyncze jony albo chmury atomów.
Zegarem może poruszać ciemna materia
Najbardziej fascynujące jest jednak nie samo mierzenie czasu. Zegar jądrowy może stać się czujnikiem zjawisk, których nie widzimy bezpośrednio. Jednym z takich celów jest ultralekka ciemna materia.
Ciemna materia to nazwa nadana niewidocznej formie materii, której istnienie zdradza grawitacyjny wpływ na galaktyki i kosmos w dużej skali. Nie wiemy, czym dokładnie jest. Jedna z hipotez zakłada, iż może mieć postać bardzo lekkiego pola, które przenika przestrzeń i powoduje subtelne oscylacje pewnych wielkości fizycznych.
Jeżeli taka ciemna materia wpływałaby na fundamentalne stałe przyrody albo na oddziaływania wewnątrz jąder atomowych, bardzo precyzyjny zegar mógłby to zauważyć. Nie przez zobaczenie cząstki, ale przez wykrycie minimalnych, okresowych zmian częstotliwości przejścia jądrowego. Innymi słowy, ciemna materia mogłaby sprawiać, iż najdokładniejszy zegar świata tykałby odrobinę inaczej.
Jądro może być lepszym detektorem niż elektron
Zegary atomowe już dziś są używane do testowania fizyki fundamentalnej. Porównuje się ich częstotliwości i szuka odchyleń, które mogłyby wskazywać na zmiany stałych fizycznych albo na wpływ nowych pól. Zegar jądrowy daje jednak inną czułość, bo jego przejście związane jest bezpośrednio z jądrem atomowym, a więc z oddziaływaniami jądrowymi.
To może być naprawdę ogromna przewaga. jeżeli ciemna materia oddziałuje nie tylko z elektromagnetyzmem, ale także z parametrami związanymi z silnym oddziaływaniem jądrowym lub z kwarkami, zegar torowy może reagować inaczej niż klasyczny zegar atomowy. Właśnie dlatego porównanie różnych typów zegarów jest tak cenne. Każdy słyszy trochę inne zakłócenia Wszechświata.
Europejski zespół wykorzystał nowy zegar właśnie w takim celu. Naukowcy szukali okresowych fluktuacji i powolnych dryftów energii przejścia jądrowego w skalach czasu od kilkudziesięciu sekund do doby. Nie wykryto sygnału ciemnej materii, ale udało się nałożyć ograniczenia na modele ultralekkiej ciemnej materii. Brak sygnału w tak precyzyjnym eksperymencie też zawęża pole poszukiwań.
Jeżeli ultralekka ciemna materia istnieje i wpływa na parametry fizyczne, zegary mogą stać się jej detektorami. Sieć takich urządzeń rozstawionych w różnych miejscach mogłaby porównywać swoje wskazania i szukać wspólnego, okresowego sygnału. To wszystko brzmi wręcz nieprawdopodobnie, ale właśnie w tę stronę zmierza metrologia najnowszej generacji. Pierwszy zegar jądrowy pokazał, iż da się uruchomić zupełnie nowy typ czasomierza, który korzysta z samego jądra atomu.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
