В мае 2024 года произошло значительное событие в мире физики. Аспирант Чуанькун Чжан из исследовательского института JILA, расположенного в Боулдере, штат Колорадо, зафиксировал редкий и долгожданный сигнал, известный как ядерный переход в тории-229. Этот переход называют «ядерными часами». Экспериментальное наблюдение данного перехода стало результатом многолетних исследований и поиска точной лазерной частоты, необходимой для его запуска. Команда учёных во главе с Джуном Е, который создал самую точную атомную систему для измерения времени, подтвердила это наблюдение после многочисленных проверок. Результаты их работы были опубликованы 4 сентября 2024 года в журнале Nature, что ознаменовало завершение длительных поисков в области ядерных часов. Это было третье подобное наблюдение за последние несколько месяцев.
Эксперимент команды JILA показал уровень точности, превосходящий предыдущие результаты в миллионы раз. Хотя похожие исследования уже проводились учёными в Германии и Калифорнии, именно новый эксперимент достиг прорыва благодаря лучшей калибровке лазера, необходимого для запуска этого перехода. Этот успех открывает перспективы для новых исследований в физике, позволяя изучать возможные изменения фундаментальных законов со временем.
Ядро тория-229 обладает уникальными свойствами, которые заинтересовали физиков ещё в 1976 году, когда этот изотоп был впервые изучен в США как побочный продукт исследований ядерного оружия времён Холодной войны. В отличие от большинства ядерных переходов, которые требуют значительных энергетических затрат, у тория-229 был обнаружен низкий энергетический порог. Это объясняется почти полной компенсацией двух основных сил – электромагнитной и сильной ядерной, что делает переход в тории-229 особенно чувствительным к малейшим изменениям в этих силах. Это дало основания предполагать, что этот переход можно использовать для проверки стабильности физических констант.
Переход в тории-229, который также называют «ядерными часами», может стать новым стандартом для измерения времени, превосходя по точности современные атомные часы. Атомные часы фиксируют время через измерение частоты переходов электронов между состояниями в атоме, в то время как ядерные часы используют аналогичный принцип, но с переходами внутри ядра атома. Это обеспечивает значительно более высокую точность, поскольку ядро атома защищено от внешних воздействий его электронным облаком.
Открытие сигнала тория-229 прокладывает путь к изучению таких фундаментальных вопросов, как возможные изменения физических констант, таких как скорость света или постоянная Планка, которые считаются неизменными на протяжении всей истории Вселенной. Существуют теоретические модели, например струнная теория, предполагающие, что эти константы могут варьироваться с течением времени или в зависимости от места. Одна из теорий тёмной материи, например, предполагает, что плотность частиц, называемых аксионами, могла бы влиять на силу фундаментальных взаимодействий, что отразилось бы на ядерных состояниях.
Первые предположения о необычных свойствах тория-229 появились в 1976 году, когда учёные Ларри Крогер и Чарльз Рейх из Национальной лаборатории Айдахо изучали радиацию от отходов уранового производства. Они обнаружили, что для возбуждения ядра тория-229 требуется в 10 000 раз меньше энергии, чем для обычного ядерного перехода. В 1990 году Рейх пересмотрел свои данные и выяснил, что энергия перехода даже ниже, чем предполагалось изначально. Это открытие сделало торий-229 ещё более привлекательным для исследований, так как появилась возможность использовать обычные ультрафиолетовые лазеры для его возбуждения.
В начале 2000-х годов физики предложили использовать торий-229 для создания ультраточных часов. Однако, для этого необходимо было точно определить энергию, требующуюся для ядерного перехода. Исследователи столкнулись с проблемой: ранее известная оценка энергии была слишком неточной, и требовалось проверять тысячи различных длин волн лазеров методом проб и ошибок.
Ситуация изменилась в 2023 году, когда группа учёных из CERN смогла сузить диапазон возможных длин волн, что значительно ускорило поиски. В апреле 2024 года европейская группа впервые сообщила о возбуждении перехода с помощью лазера, а вскоре аналогичного результата достигли в Калифорнии.
Команда Джуна Е из JILA также активно участвовала в этой гонке, разработав лазер для точного возбуждения тория-229. Их система позволила тестировать несколько длин волн одновременно, что привело к успешному наблюдению перехода с беспрецедентной точностью.
Этот прорыв имеет серьёзные последствия для науки. В будущем учёные смогут использовать ядерные часы для более точных проверок фундаментальных констант. Хотя текущая точность измерений перехода составляет одну часть на триллион, возможные изменения физических констант могут оказаться столь малы, что для их обнаружения потребуется точность до одной части на десять триллионов. Этот процесс может занять годы, но успех команды из JILA стал первым шагом на пути к новым открытиям в физике.
Таким образом, исследования перехода тория-229 могут не только пересмотреть стандарты времени, но и привести к фундаментальным изменениям в понимании устройства Вселенной.
Переходите в телеграм "Математика не для всех" - там много чего интересного, что не попадает в канал на Дзен
