Физики создали ядерные часы для поиска темной материи
Устройство на основе тория-229 впервые позволило использовать переход внутри атомного ядра для сверхточного измерения времени и поиска возможных изменений фундаментальных констант.
Ильдар ХайретдиновАвтор Hi-Tech Mail
Физики из Венского центра квантовых наук и технологий вместе с немецкими исследователями впервые продемонстрировали работающие твердотельные ядерные часы. Их ключевым элементом стал изотоп тория-229, встроенный в кристалл. Разработка позволяет не только повысить точность измерения времени, но и искать крайне слабые изменения фундаментальных законов физики. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Обычные атомные часы используют переходы электронов между энергетическими уровнями. В новой системе источником сигнала становится непосредственно атомное ядро. У тория-229 есть необычное свойство: его ядро можно перевести в возбужденное состояние с помощью лазерного излучения сравнительно небольшой энергии.
Для эксперимента ученые внедрили атомы тория-229 в миллиметровый кристалл фторида кальция. Установка работала при комнатной температуре, а для возбуждения ядерного перехода использовался ультрафиолетовый лазер. Исследователи создали систему обратной связи, благодаря которой частота лазера автоматически подстраивается под частоту перехода в ядре.
Такой принцип дает часам еще одно важное преимущество. Энергия ядерного перехода тория-229 чувствительна к значениям фундаментальных констант, поэтому даже небольшое изменение этих параметров потенциально может проявиться в показаниях устройства. Это делает ядерные часы инструментом не только для хронометрии, но и для фундаментальных физических экспериментов.
Одной из первых задач стала попытка обнаружить ультралегкую темную материю. Это гипотетическая форма невидимого вещества, которая, согласно современным представлениям, составляет значительную часть массы Вселенной. На протяжении суток исследователи непрерывно собирали данные и искали в сигнале периодические изменения либо медленный сдвиг энергии ядерного перехода.
Обнаружить темную материю в ходе эксперимента не удалось. Однако полученные результаты позволили установить более строгие ограничения на возможное взаимодействие этого типа материи с обычным светом и сильным ядерным взаимодействием.
По словам авторов исследования, новый подход к высокоточному контролю времени сочетает стабильность с высокой чувствительностью к изменению фундаментальных постоянных. За сутки непрерывной работы устройству удалось достичь рекордной стабильности. В будущем разработчики планируют увеличить мощность лазерной системы, что позволит улучшить этот показатель еще на несколько порядков и сравнять часы с лучшими квантовыми эталонами. При этом прибор не требует сложного охлаждающего оборудования и остается стабильным даже при небольших перепадах температуры.
Концепция ядерных часов на основе тория-229 появилась еще в 2003 году. Ее практическая реализация потребовала более двух десятилетий работы: ученым сначала пришлось с высокой точностью определить энергию ядерного перехода, а затем разработать подходящие источники лазерного излучения. Первое успешное возбуждение ядра тория лазером удалось получить только в 2024 году.
Теперь исследователям удалось решить проблему, связанную с длительным временем жизни возбужденного состояния ядра, и превратить предложенную более 20 лет назад идею в работающий прибор. В дальнейшем такие часы могут стать не только более точным эталоном времени, но и новым инструментом для поиска неизвестной физики.
Ядерные часыПоделиться
