ISOLDE da un paso sólido hacia el reloj nuclear

Los relojes atómicos son los dispositivos de cronometraje más precisos del mundo. Basados ​​en transiciones periódicas entre los dos estados electrónicos de un átomo, pueden rastrear el paso del tiempo con una precisión de una parte por quintillón, lo que significa que no perderán ni ganarán un segundo durante los próximos 30 mil millones de años, más del doble de la edad. del universo.

En un artículo publicado hoy en naturalezaun equipo internacional en las instalaciones de física nuclear del CERN, ISOLDAindica un gran paso hacia la construcción de un reloj que estaría basado en una transición periódica entre dos estados del núcleo de un átomo: el núcleo del isótopo del elemento torio, torio-229.

Tal reloj nuclear podría ser más preciso que los relojes atómicos más precisos de la actualidad, gracias a los diferentes tamaños y componentes del núcleo en comparación con los de un átomo. Además, puede servir como una herramienta sensible para buscar nuevos fenómenos más allá forma estándar, actualmente la mejor descripción que existe del mundo subatómico. Por ejemplo, podría permitir a los investigadores buscar variaciones en el tiempo de las constantes fundamentales de la naturaleza y buscar luz. materia oscura.

Impresión artística de un reloj nuclear. (Foto: APS/Ann. Phys. 531, 1800381 (2019))

Desde 2003, cuando Eckhard Beck y Christian Tam propusieron un reloj nuclear basado en la transición entre el estado fundamental de un núcleo de torio-229 y un primer estado de mayor energía (llamado isómero), los investigadores se han apresurado a observar y caracterizar este núcleo nuclear. transición.

En las últimas dos décadas, los investigadores han medido con mayor precisión la energía del isómero, cuyo valor exacto requiere el desarrollo de láseres para impulsar la transición al isómero. Sin embargo, a pesar de mucho esfuerzo, no lograron observar la luz emitida en la transición del isómero al estado fundamental. Este fenómeno, conocido en el lenguaje de los físicos nucleares como la desintegración radiactiva de un isómero, que tiene un tiempo de vida relativamente largo, es un elemento clave en el desarrollo de un reloj nuclear, ya que permitiría, entre otras cosas, determinar la energía de un isómero con mayor precisión.

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Un equipo de ISOLDE ha logrado ahora esta hazaña produciendo núcleos de torio-229 en estado isomérico de una nueva manera y examinando los núcleos utilizando una técnica llamada espectroscopia ultravioleta de vacío. La longitud de onda de la luz observada corresponde a una energía de isómero de 8,338 MeV con una incertidumbre de 0,024 MeV, un valor que es siete veces más preciso que las mediciones previas más precisas.

Un factor importante en el éxito del equipo fue la producción de núcleos isoméricos de torio-229 a través de la denominada desintegración beta del isótopo actinio-229, que se sintetizaron en ISOLDE y se incorporaron en cristales de fluoruro de calcio o fluoruro de magnesio.

«ISOLDE es actualmente una de las dos únicas instalaciones en el mundo que pueden producir isótopos de actinio-229», dice el autor principal del artículo, Sandro Kremer. «Al incorporar estos isótopos en cristales de fluoruro de calcio o fluoruro de magnesio, producimos una mayor cantidad de núcleos de isómeros de torio-229 y aumentamos nuestras posibilidades de observar la descomposición radiactiva».

El nuevo enfoque para producir núcleos de torio-229 también permitió determinar la edad del isómero en un cristal de fluoruro de magnesio. Se necesita el conocimiento de esta edad para predecir con precisión un reloj nuclear de torio-229 basado en este sistema de estado sólido. La larga vida útil medida, de 16,1 minutos con una incertidumbre de 2,5 minutos, confirma las estimaciones teóricas e indica la posibilidad de lograr una precisión de reloj que rivalice con los relojes atómicos más precisos de la actualidad.

«Los sistemas de estado sólido, como los cristales de fluoruro de magnesio, son una de las dos preparaciones posibles para construir un futuro reloj nuclear de torio-229», dice el portavoz del equipo, Pete van Dubben. «Nuestro estudio representa un paso crítico en esta dirección y facilitará el desarrollo de los láseres necesarios para impulsar la transformación periódica que haría funcionar ese reloj».

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ISOLDE avanza un tic sólido hacia el reloj nuclear. (video: CERN)

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