Физики сместили ядро тория-229 на более высокий энергетический уровень, открывая путь к созданию ядерных часов - инструментов, способных не только точно измерять время, но и исследовать самые глубокие законы физики. Несмотря на это, путь к завершению этого проекта все еще предстоит преодолеть.
Этот прорыв достигнут за счет использования лазерного света, который поднял ядро тория на новый энергетический уровень. Это открытие расширяет наши возможности в создании часов, которые не только более точно измеряют время, но и предоставляют инструменты для исследования фундаментальных физических явлений.
Результаты исследования были опубликованы 29 апреля в "Physical Review Letters".
Сегодня наши наиболее точные атомные часы используют лазеры для управления электронами и считывают время по их движениям. Этот метод обеспечивает высокую точность, но электроны подвержены воздействию внешних полей, что может исказить результаты.
В отличие от этого, ядерные часы будут основаны на переходах энергии внутри ядер атомов, что делает их более устойчивыми к внешним воздействиям. Однако разрывы между уровнями энергии ядер гораздо больше, чем у электронов, что создает сложности в использовании лазеров для их управления.
В 1970-х годах ученые обнаружили, что у изотопа тория (торий-229) есть энергетический уровень, который, кажется, можно управлять лазерным светом. Это открытие стало ключом к развитию ядерных часов.
Поиск точной энергетической цели стал настоящим вызовом для ученых. Сначала им пришлось поднять уровень энергии тория-229 до значительно более высокого значения, чем тот, который на самом деле их интересовал. Затем, путем измерения тонких различий в энергии света, излучаемого при его возврате на более высокий уровень по сравнению с тем, что находится чуть ниже, им удалось приблизиться к желаемому результату.
За последние полвека исследователи сократили диапазон энергии, необходимой для вызывания этого перехода, до крошечных долей электронвольта. Но даже с такой точностью им еще недоставало.
"Теория намекала, что это где-то между 0 и 10 эВ, но нам нужно было попасть в точное значение с удивительной точностью, чтобы увидеть эффект," - объяснил Шумм. "Просмотр всего диапазона занял бы вечность, поэтому мы сужали область поиска годами предварительных экспериментов."
После множества попыток исследователи, наконец, наблюдали, как атом тория переходит между уровнями энергии: изменение составило 8,35574 эВ.
Ученые отмечают, что для достижения такой же точности, как у атомных аналогов, потребуется еще много лет разработки ядерных часов. Но с этим переходом, наконец, обнаруженным, открывается новая перспектива, которая может позволить более глубоко исследовать ускользающие явления в природе темной энергии, темной материи и фундаментальных силах вселенной.
"Ядерные часы обеспечат нам крайне точные измерения разницы в энергии между двумя состояниями ядра," - пояснил Шумм. "Эти два энергетические уровня обусловлены тремя из четырех фундаментальных сил в физике: электромагнетизмом, сильным и слабым ядерным взаимодействием. В отличие от атомных часов, которые зависят только от электромагнетизма. Если одна из этих трех фундаментальных сил меняется во времени или пространстве, ядерные часы смогут это заметить."
