Trka za nuklearnim vremenom

Nuklearni časovnici, koji su još precizniji nego atomski časovnici, mogu dati naučnicima nove puteve za istraživanje fundamentalnih sila univerzuma.

Međunarodni tim istraživača napravio je značajan napredak u tom pravcu, precizno opisujući energiju pobuđenosti torijuma-229, elementa spremnog da bude čuvar vremena u nuklearnim časovnicima.

Atomski časovnici toliko precizno mere vreme da dobiju ili izgube manje od jedne sekunde svakih 30 milijardi godina. Međutim, takozvani nuklearni časovnici mogli bi meriti vreme još preciznije. Osim toga, mogli bi omogućiti naučnicima dublje razumevanje fundamentalnih fizičkih fenomena, piše SciTech Daily.

Preporučujemo

„Govorimo o silama o koje održavaju jedinstvo sveta u njegovoj srži“, kaže fizičar Peter Tirolf, profesor na Univerzitetu Ludvig Maksimilijan u Mihnenu. Nasuprot konvencionalnim atomskih časovnicima, ovaj tip časovnika bi registrovao sile u atomskom jezgru.

Naučnici su uspeli da opišu energiju ekscitacije torijuma-229 sa velikom preciznošću zahvaljujući novom eksperimentalnom pristupu. Ovo atomsko jezgro će biti korišćeno kao hronometar u nukleranim časovnicima u budućnosti. Precizno znanje o tome koja frekvencija je potrebna za ekscitaciju bitno je za izvodljivost ove tehnologije.

Najunutrašnjiji časovnik

Za časovnik vam je potrebno nešto što periodično oscilira i nešto što broji oscilacije. Starinski sat ima mehaničko klatno, čije oscilacije registruje mehanizam sata. U atomskim časovnicima, atomska ljuska funkcioniše kao čuvar vremena. Elektroni su pobuđeni i pomeraju se nazad i napred između visokog i niskog nivoa energije. Onda je pitanje brojanja frekvencije svetlosnih čestica koje emituje atom kad se pobuđeni elektroni vrate u osnovno stanje.

U nuklearnim časovnicima osnovni princip je vrlo sličan. U ovom slučaju, probijamo u jezgro atoma. gde se takođe mogu nači različita stanja energije. Ako bismo uspeli da ih pobudimo precizno sa laserom i izmerimo radijaciju koju jezgro emituje kad se vraća u osnovno stanje, tada bismo imali nuklearni časovnik. Teškoća je u tome da od svih atomskih jezgara poznatih nauci samo jedno može poslužiti toj svrsi – torijum-229. A čak je i to bilo čisto teorijski dugo vremena.

Jezgro kao nijedno drugo

Ono što čini torijum-229 toliko specijalnim jeste da njegovo jezgro može biti dovedeno u pobuđeno stanje pomoću relativno niske frekvencije svetlosti – gotovo ostvarive UV laserima. Istraživanje je se nije pomeralo 40 godina jer, iako su mislili da atomsko jezgro sa pravim karakteristikama postoji, naučnici nisu mogli eksperimentalno da potvrde tu hipotezu.

I onda je 2016. Tirolfova istraživačka grupa napravila pomak kad je direktno potvrdila pobuđeno stanje jezgra torijuma-229. To je signaliziralo početak trke za nuklearnim časovnikom.

Da bi sat radio, čuvar vremena i satni mehanizam treba da budu savršeno usklađeni. U slučaju nuklearnog časovnika, to znači da morate znati na kojoj tačno frekvenciji atomsko jezgro torijuma-229 oscilira. Tek onda možete praviti lasere koji pobuđuju tačno tu frekvenciju.

Ako biste ispobavali sve moguće frekvencije sa različitim laserima, to bi trajalo beskonačno. Da ne govorimo da bi laseri trebalo da budu mukotrpno pravljeni prvo u odgovarajućem spektru UV svetlosti. Da bi suzili obim u kom leži frekvencija oscilacije torijuma-229, istraživači su krenuli drugim putem.

„Priroda je ponekad milostiva i nudi nam različite puteve“, rekao je Tirolf. Zapravo, laseri nisu jedini put za postizanje pobuđenog stanja jezgra torijuma. Ono se takođe dešava kad se radioaktivna jezgra raspadaju u torijum-229. „Takoreći, počinjemo da precima i praprecima torijuma“.

ISOLDE pravi nove puteve

Ovi preci se zovu francijum-229 i radijum-229. Pošto nijednog nema gotovog u prirodi, moraju se proizvesti sintetički. Trenutno ima vrlo malo mesta na svetu koja su sposobna za to. Jedno od njih je laboratorija ISOLDE pri Evropskoj organizaciji za nuklearno istraživanje (CERN) u Ženevi, koja je omogućila stari san alhemičara – pretvaranje jednog elementa u drugi.

Da bi ovo postigli, naučnici bombarduju jezgra uranijuma protonima ubrzanim do ekstremnih brzina, proizvodeći tako razna nova jezgra – uključujući francijum i radijum. Ovi elementi se brzo raspadaju u radioaktivno roditeljsko jezgro torijuma-229 – aktinijum-229.

Međunarodni tim je ugradio ovaj aktinijum u specijalne kristale, gde se raspada u torijum u pobuđenom stanju. Kad se torijum vrati u svoje osnovno stanje, emituje čestice svetlosti čija frekvencija je toliko bitna za razvoj nuklearnog časovnika. Međutim, demonstracija ovoga nije jednostavan zadatak.

„Ako jezgro nije tačno postavljeno na odgovarajuće mesto u kristalu, nemamo šanse. Elektroni u okolini apsorbuju energiju i ništa što možemo da izmerimo ne izađe napolje“, kaže dr Kremer, Tirolfov kolega.

Prethodni pokušaji u kojima je uranijum ugrađivan u kristalnu rešetku umesto aktinijuma padali su na ovoj prepreci. „Kad se uranijum-229 raspadne u torijum-229, dolazi do reakcije koja pravi veliku štetu u kristalu“, objašnjava Tirolf. Raspadanje aktinijuma u torijum, naprotiv, pravi mnogo manje štete, zbog čega su istraživači izabrali taj mukotrpan put za novu studiju u saradnji sa CERN-om.

Težak rad i strpljenje su se isplatili: tim je uspeo da odredi energiju tranzicije stanja vrlo precizno. Takođe su pokazali da je nuklearni časovnik baziran na torijumu ugrađenom u kristal izvodljiv. Takvi časovnici bazirani na čvrstom stanju imali bi prednost naspram drugih pristupa u tome što bi mnogo brže dolazili do rezultata merenja pošto rade sa većim brojem atomskih jezgara.

Pitanje vremena

„Sad znamo približnu talasnu dužinu koja nam treba“, kaže Tirolf. Na osnovu novih nalaza treba progresivno sužavati tačnu energiju tranzicije. Prvo, istraživači će kreirati ekscitaciju pomoću lasera. Zatim mogu tragati za frekvencijom sa sve većom preciznošću pomoću preciznijih lasera. Da ovo ne traje predugo, oni ne koriste pincetu da nađu iglu u plastu sena, takoreći, već grablje.

Ove „grablje“se zovu „ češalj frekvencije“, a razvio ga je Tirolfov kolega sa Univerziteta Ludvig Maksimilijan, profesor Teodor Henš, koji je za to postignuće dobio Nobelovu nagradu za fiziku 2005.

Naučnici mogu koristiti taj češalj da skeniraju stotine hiljada talasnih dužina istivremeno dok ne pronađu pravu.

Neki izazovi ostaju na putu do nuklearnih satova. Naučnici moraju bolje razumeti izomer torijuma, unapređivati lasere i teorije.

Nove mogućnosti uključuju ne samo fundamentalna fizička istraživanja, već i praktične primene. Pomoću nuklearnog časovnika naučnici bi mogli detektovati najmanje promene u Zemljinom gravitacionom polju, kao prilikom pomeranja tektonskih ploča ili pred vulkanske erupcije.

S obzirom na nove uspehe, nagrada je nadohvat ruke. Prvi prototipi mogli bi biti dostupni za manje od deset godina. „Možda će čak biti spremni za redefinisanje sekunde u 2030“, nadaju se fizičari. Misle na planove da se dođe do nove, preciznije standardne definicije sekunde, za šta će naučnici koristiti najnaprednije atomske časovnike – a možda čak i prve nuklearne časovnike.

(Telegraf Nauka/SciTech Daily)