Международная группа физиков впервые продемонстрировала работу первых в истории ядерных часов. В отличие от существующих атомных стандартов, новое устройство измеряет время не по колебаниям электронов, а по «тиканью» самого атомного ядра. Этот успех открывает дорогу к беспрецедентной точности измерений и поиску загадочной тёмной материи.
В чём разница между атомными и ядерными часами?
Современные атомные часы — самые точные приборы на Земле. Они отслеживают переходы электронов между энергетическими уровнями в оболочке атомов (например, цезия или стронция). Лучшие оптические атомные часы способны работать миллиарды лет, не отставая ни на секунду.
Однако у них есть предел: электронная оболочка относительно велика, а потому чувствительна к внешним помехам — блуждающим электромагнитным полям и температурным колебаниям.
Ядро атома в тысячи раз меньше его электронной оболочки и связано сильным взаимодействием. Оно представляет собой идеальный «сейф», защищённый от шумов окружающего мира. Проблема заключалась в том, что заставить ядро «тикать» под воздействием обычного лазера казалось невозможным — для его возбуждения требовалось колоссальное рентгеновское или гамма-излучение.
Торий-229: природная аномалия
Решением стал изотоп торий-229. Это единственное известное ядро во Вселенной, у которого разница между основным и возбужденным состоянием экстремально мала — всего около 8,4 электронвольта. Для его «раскачки» не нужны гигантские ускорители: достаточно ультрафиолетового лазера.
В ходе экспериментов, начатых в ЦЕРНе и TU Wien и завершенных консорциумом ученых под эгидой института JILA (совместный центр Национального института стандартов и технологий США (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере), физикам удалось совершить невозможное:
- Они внедрили миллиарды ядер тория-229 в кристалл фторида кальция.
- Направили на него специально разработанный ультрафиолетовый лазер.
- С помощью оптической частотной гребенки (инструмента, за который ранее была присуждена Нобелевская премия) точно синхронизировали частоту лазера с «сердцебиением» ядра.
Инструмент для поиска тёмной материи
Созданный прототип пока уступает по точности лучшим оптическим атомным часам, но потенциал новой архитектуры колоссален. Ядерные часы станут уникальным прибором для проверки фундаментальных законов Вселенной.
Поскольку ядро удерживается сильным и слабым ядерными взаимодействиями, любые микроскопические изменения фундаментальных констант (например, постоянной тонкой структуры) тут же изменят ход часов.
Физики планируют объединить ядерные часы с атомными в единую систему. Если сквозь Землю будет проходить гипотетическая сверхлёгкая тёмная материя, она должна спровоцировать едва заметные, микроскопические расхождения в показаниях этих двух приборов. Кроме того, часы позволят проверить, менялись ли законы физики с момента Большого взрыва или они оставались неизменными на протяжении всей эволюции Вселенной.
Теперь начался новый этап технологической гонки. В ближайшие годы инженеры будут работать над повышением чистоты кристаллов и стабильности лазерных систем. Когда технология ядерных часов будет доведена до совершенства, человечество получит навигационные системы субсантиметровой точности, принципиально новые датчики гравитационных волн и ключ к пониманию «тёмной» стороны нашего мира.
