Шаг к ядерным часам

Открыто метастабильное состояние ядра тория, которое может быть использовано для создания сверхточных ядерных часов.

Вся история человеческой цивилизации связана с улучшением измерения времени, повышением точности часов. Без этого невозможно развитие науки и техники. Самые точные современные часы называют атомными, поскольку они используют разность энергий между квантовыми состояниями электрона в атоме. Она определяет частоту излучения атома при переходе электрона из одного состояния в другое, которая с помощью электроники легко преобразуется в сигнал времени. Управление переходами в зависимости от энергии осуществляется микроволновым или лазерным излучением. Для создания таких часов подходят не все атомы, а только те, что малочувствительны к различным внешним воздействиям. В наиболее распространенных устройствах используют цезий.

Современные атомные часы, работающие, например, в системе GPS, обеспечивают фантастическую точность измерения времени:  их ошибка составляет всего одну секунду за 100 миллионов лет. Уже существуют экспериментальные образцы часов с рекордной погрешностью в одну секунду за 20 миллиардов лет, что превышает время жизни Вселенной. Но нет предела совершенству. Ученые мечтают об еще более точных ядерных часах, использующих разность энергий между квантовыми состояниями ядер атомов. Такие часы будут еще менее чувствительны к возмущениям внешней среды, а их точность увеличится в десять раз. С другой стороны, разность энергий между квантовыми уровнями ядра значительно больше, чем для электронов, что приводит к большим частотам излучения и возможности измерять все меньшие промежутки времени (увеличивается частота «тиканья» часов)

Помимо привычных сфер применения такие часы можно будет использовать для исследования квантовых корреляций атомов и частиц, а также поиска изменений фундаментальных констант, таких как постоянная тонкой структуры или параметры связи квантовой хромодинамики.

Однако, как и в случае с атомами, для этой цели годятся не все ядра. В 2003 году на эту роль было предложено ядро тория 229 (Th-229). По имеющимся данным оно должно было обладать уникальной особенностью – самым низким метастабильным уровнем возбужденного состояния по отношению к основному состоянию (разница должна составлять несколько электронвольт). Таким переходом между состояниями можно управлять с помощью лазерного излучения. Само наличие метастабильного состояния ядра (изомера) с нужными параметрами, в котором оно может существовать достаточно длительное время, тоже благоприятно для создания часов. При записи изомеры обозначаются букой m (от английского metastable). Теперь физикам предстояло обнаружить предсказанный изомер тория Th-229m и определить его энергию и время жизни.

Задача оказалась трудной, так как торий радиоактивен и не существует в природе, поскольку быстро распадается. О ее решении сообщили исследователи из Германии в статье, опубликованной в последнем номере журнала Nature. Им впервые удалось обнаружить изомер Th-229m, возникающий при делении урана 233, и оценить его параметры. В частности, они установили, что период полураспада Th-229m превышает одну минуту, что делает возможным его использование для создания ядерных часов. Чтобы подчеркнуть значимость достижения, стоит указать, что в общей сложности поиск этого изомера занял около 40 лет.

Сделанное открытие лишь первый шаг к созданию ядерных часов. Физикам еще предстоит уточнение параметров изомера, разработка технологии измерения времени. Для управления переходами между состояниями ядра потребуется создать мощный лазер, работающий в дальнем ультрафиолетовом диапазоне (длина волны короче 200 нанометров), что само по себе представляет сложную задачу. Для разработки ядерных часов Евросоюзом создан международный проект nuClock, в рамках которого выполнено и данное исследование.