Zegar jądrowy na torze-229 już działa. Co zmieni w nauce?

W odróżnieniu od klasycznych zegarów atomowych nowy zegar nie "liczy" przejść energetycznych elektronów w powłoce atomowej. Kluczowy jest tu proces zachodzący wewnątrz jądra: jak wyjaśnia prof. Thorsten Schumm z TU Wien, urządzenie wykorzystuje przejście kwantowe w jądrze (związane z neutronem), by wyznaczyć częstotliwość rezonansową, a następnie – upływ czasu.

Dotychczas wzorcem niezwykle precyzyjnego pomiaru czasu były zegary oparte na cezie-133. W takim rozwiązaniu elektrony przeskakują między ściśle określonymi poziomami energii, czemu towarzyszy emisja mikrofal. To właśnie zegar cezowy definiuje sekundę jako 9 192 631 770 cykli tego przejścia; w praktyce jego odchyłka może oznaczać stratę około jednej sekundy dopiero po upływie kilkuset milionów lat.

Równolegle od pewnego czasu rozwijane są optyczne zegary atomowe, w których zamiast mikrofal stosuje się światło widzialne albo ultrafiolet. Taka technika pozwala uzyskać precyzję mniej więcej 100 razy wyższą niż w starszych konstrukcjach. Zegar jądrowy idzie jednak inną drogą: otwiera możliwość badania struktury jądra atomowego, gdzie "spotykają się" elektromagnetyzm oraz silne i słabe oddziaływania jądrowe.

Zespół wskazuje, że zjawiska zachodzące w jądrze mogą reagować na zmiany parametrów podstawowych sił przyrody nawet milion razy silniej niż procesy oparte na elektronach. Prof. Schumm podkreślał, że po raz pierwszy pojawia się szansa, by badać procesy jądrowe z precyzją kojarzoną dotąd ze spektroskopią atomową.

Naukowcy sprawdzili również, czy zegar jądrowy może pomóc w poszukiwaniach ciemnej materii. Jedno z rozważań zakłada, że mogłyby ją tworzyć ultralekkie cząstki nazywane aksjonami. Gdyby istniały i oddziaływały z materią w odpowiedni sposób, mogłyby okresowo zmieniać właściwości podstawowych sił, a w konsekwencji – wpływać na tempo tykania zegara. Na tym etapie nie odnotowano jednoznacznego sygnału; prof. Schumm przekazał, że brak wyraźnych rezultatów nie jest zaskakujący, bo urządzenie wymaga jeszcze znaczących usprawnień, zanim takie efekty staną się realnie wykrywalne.

Obecnie zegar jądrowy ustępuje dokładnością zegarom cezowym – jest od nich mniej precyzyjny około 10 tys. razy. W praktyce oznacza to błąd rzędu jednej sekundy mniej więcej co 30 tys. lat. Największą barierą pozostają wykorzystywane lasery ultrafioletowe: są zbyt słabe i wnoszą szum, który ogranicza stabilność pomiaru. Zespół szacuje jednak, że dzięki nowszym źródłom laserowym w około trzy lata możliwe będzie dojście do poziomu dokładności zegarów cezowych. Rezultaty prac opisano w dwóch publikacjach w "Nature", przygotowanych m.in. z udziałem badaczy z Physikalisch-Technische Bundesanstalt oraz Shiqian Dinga z Tsinghua University.