Лазерный эксперимент физиков возбуждает ядро ​​атома, что может привести к созданию нового типа атомных часов

Почти 50 лет физики мечтали о секретах, которые они могли бы раскрыть, повысив энергетическое состояние ядра атома с помощью лазера. Это достижение позволило бы заменить сегодняшние атомные часы ядерными часами, которые были бы самыми точными часами из когда-либо существовавших, что позволило бы достичь таких успехов, как навигация и связь в глубоком космосе. Это также позволило бы ученым точно измерить, являются ли фундаментальные константы природы на самом деле действительно постоянными или просто кажутся таковыми, потому что мы еще не измерили их достаточно точно.

Теперь усилия под руководством Эрика Хадсона, профессора физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, позволили достичь, казалось бы, невозможного. Внедрив атом тория в высокопрозрачный кристалл и бомбардируя его лазерами, группа Хадсона преуспела в том, чтобы заставить ядро ​​атома тория поглощать и испускать фотоны, как это делают электроны в атоме. Удивительный подвиг описан в статье, опубликованной в журнале Письма физического осмотра.

Это означает, что измерения времени, гравитации и других полей, которые в настоящее время выполняются с использованием атомных электронов, могут быть выполнены с точностью на порядки выше. Причина в том, что атомные электроны подвержены влиянию многих факторов в их окружении, что влияет на то, как они поглощают и испускают фотоны, и ограничивает их точность. Нейтроны и протоны, с другой стороны, связаны и высоко сконцентрированы внутри ядра и испытывают меньшее возмущение окружающей среды.

Используя новую технологию, ученые смогут определить, изменяются ли фундаментальные константы, такие как постоянная тонкой структуры, которая задает силу силы, удерживающей атомы вместе. Намеки из астрономии предполагают, что постоянная тонкой структуры может быть не одинаковой везде во Вселенной или во все моменты времени. Точное измерение с использованием ядерных часов постоянной тонкой структуры может полностью переписать некоторые из этих самых основных законов природы.

«Ядерные силы настолько сильны, что энергия в ядре в миллион раз больше той, что вы видите в электронах, а это значит, что если фундаментальные константы природы отклоняются, то результирующие изменения в ядре гораздо больше и заметнее, что делает измерения на порядки более чувствительными», — сказал Хадсон.

«Использование ядерных часов для этих измерений обеспечит наиболее чувствительный на сегодняшний день тест «постоянной вариации», и вряд ли какой-либо эксперимент в течение следующих 100 лет сможет с ним сравниться».

Группа Хадсона первой предложила серию экспериментов по стимуляции ядер тория-229, легированных в кристаллы, с помощью лазера, и провела последние 15 лет, работая над достижением недавно опубликованных результатов. Заставить нейтроны в атомном ядре реагировать на лазерный свет сложно, поскольку они окружены электронами, которые легко реагируют на свет и могут уменьшить количество фотонов, которые фактически могут достичь ядра. Частица, которая повысила свой энергетический уровень, например, посредством поглощения фотона, находится в «возбужденном» состоянии.

Команда UCLA поместила атомы тория-229 в прозрачный кристалл, богатый фтором. Фтор может образовывать особенно прочные связи с другими атомами, подвешивая атомы и обнажая ядро, как муха в паутине. Электроны были так тесно связаны с фтором, что количество энергии, необходимое для их возбуждения, было очень высоким, что позволяло свету с более низкой энергией достигать ядра. Затем ядра тория могли поглощать эти фотоны и переизлучать их, позволяя обнаруживать и измерять возбуждение ядер.

Изменяя энергию фотонов и отслеживая скорость возбуждения ядер, команда смогла измерить энергию возбужденного состояния ядра.

«Мы никогда раньше не могли управлять ядерными переходами таким образом с помощью лазера», — сказал Хадсон. «Если вы удерживаете торий на месте с помощью прозрачного кристалла, вы можете разговаривать с ним с помощью света».

Хадсон сказал, что новая технология может найти применение везде, где требуется чрезвычайная точность измерения времени в зондировании, связи и навигации. Существующие атомные часы на основе электронов представляют собой приспособления размером с комнату с вакуумными камерами для улавливания атомов и оборудованием, связанным с охлаждением. Ядерные часы на основе тория будут намного меньше, надежнее, портативнее и точнее.

«Никто не в восторге от часов, потому что нам не нравится идея ограничения времени», — сказал он. «Но мы используем атомные часы постоянно, каждый день, например, в технологиях, которые заставляют работать наши мобильные телефоны и GPS».

Помимо коммерческих приложений, новая ядерная спектроскопия может приоткрыть завесу над некоторыми из самых больших тайн вселенной. Чувствительное измерение ядра атома открывает новый способ узнать о его свойствах и взаимодействии с энергией и окружающей средой. Это, в свою очередь, позволит ученым проверить некоторые из их самых фундаментальных идей о материи, энергии и законах пространства и времени.

«Люди, как и большая часть жизни на Земле, существуют в масштабах, которые либо слишком малы, либо слишком велики, чтобы наблюдать то, что на самом деле может происходить во Вселенной», — сказал Хадсон. «То, что мы можем наблюдать с нашей ограниченной точки зрения, — это конгломерат эффектов в разных масштабах размера, времени и энергии, и константы природы, которые мы сформулировали, похоже, сохраняются на этом уровне».

«Но если бы мы могли наблюдать более точно, эти константы могли бы на самом деле меняться. Наша работа сделала большой шаг на пути к этим измерениям, и, в любом случае, я уверен, мы будем удивлены тем, что узнаем».

«На протяжении многих десятилетий все более точные измерения фундаментальных констант позволяли нам лучше понимать Вселенную на всех масштабах и впоследствии разрабатывать новые технологии, которые развивают нашу экономику и укрепляют нашу национальную безопасность», — сказала Дениз Колдуэлл, исполняющая обязанности помощника директора Директората математических и физических наук Национального научного фонда.

«Эта ядерная технология однажды позволит ученым измерить некоторые фундаментальные константы с такой точностью, что нам, возможно, придется перестать называть их «константами»».