Skoro 50 godina, fizičari su sanjali o tajnama koje bi mogli da otkriju podizanjem energetskog stanja jezgra atoma pomoću lasera. Ovo dostignuće bi omogućilo da se današnji atomski satovi zamene nuklearnim satom koji bi bio najtačniji sat koji je ikada postojao, omogućavajući napredak poput navigacije u dubokom svemiru i komunikacije. Takođe bi omogućilo naučnicima da precizno izmere da li su fundamentalne konstante prirode zaista konstantne ili se samo čini da jesu zato što ih još nismo dovoljno precizno izmerili.
Sada je napor koji je predvodio Erik Hadson, profesor fizike i astronomije na UCLA, postigao naizgled nemoguće. Ugrađivanjem atoma torijuma u veoma providni kristal i bombardovanjem laserima, Hadsonova grupa je uspela da natera jezgro atoma torijuma da apsorbuje i emituje fotone kao što to rade elektroni u atomu. Zadivljujući podvig opisan je u radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters.
To znači da se merenja vremena, gravitacije i drugih polja koja se trenutno izvode pomoću atomskih elektrona mogu vršiti sa redovima veličine veće preciznosti. Razlog je taj što na atomske elektrone utiču mnogi faktori u njihovom okruženju, što utiče na to kako apsorbuju i emituju fotone i ograničava njihovu tačnost. Neutroni i protoni, s druge strane, su vezani i visoko koncentrisani unutar jezgra i doživljavaju manje poremećaja životne sredine.
Koristeći novu tehnologiju, naučnici bi mogli da utvrde da li se fundamentalne konstante, kao što je konstanta fine strukture koja određuje snagu sile koja drži atome zajedno, razlikuju. Nagoveštaji iz astronomije sugerišu da konstanta fine strukture možda nije ista svuda u svemiru ili u svim vremenskim tačkama. Precizno merenje pomoću nuklearnog sata konstante fine strukture moglo bi u potpunosti da prepiše neke od ovih najosnovnijih zakona prirode.
„Nuklearne sile su toliko jake da znači da je energija u jezgru milion puta jača od one koju vidite u elektronima, što znači da ako fundamentalne konstante prirode odstupaju, rezultirajuće promene u jezgru su mnogo veće i uočljivije, čineći merenja za redove veličine osetljivijom“, rekao je Hadson.
„Korišćenje nuklearnog sata za ova merenja obezbediće najosetljiviji test ‘konstantne varijacije’ do sada i verovatno se nijedan eksperiment u narednih 100 godina neće meriti sa njim.“
Hadsonova grupa je bila prva koja je predložila seriju eksperimenata za stimulisanje jezgara torijuma-229 dopiranih u kristale laserom, i provela je poslednjih 15 godina radeći na postizanju nedavno objavljenih rezultata. Navesti neutrone u atomskom jezgru da reaguju na lasersko svetlo je izazov jer su okruženi elektronima, koji lako reaguju na svetlost i mogu smanjiti broj fotona koji zaista mogu da dođu do jezgra. Za česticu koja je podigla nivo energije, kao što je apsorpcija fotona, kaže se da je u „pobuđenom“ stanju.
Tim UCLA ugradio je atome torijuma-229 unutar providnog kristala bogatog fluorom. Fluor može da formira posebno jake veze sa drugim atomima, suspendujući atome i izlažući jezgro kao muva u paukovoj mreži. Elektroni su bili tako čvrsto vezani za fluor da je količina energije koja je bila potrebna za njihovo uzbuđenje bila veoma visoka, omogućavajući svetlosti niže energije da stigne do jezgra. Jezgra torijuma bi tada mogla da apsorbuju ove fotone i ponovo ih emituju, omogućavajući da se otkrije i izmeri uzbuđenje jezgara.
Promenom energije fotona i praćenjem brzine pobuđivanja jezgara, tim je mogao da izmeri energiju nuklearnog pobuđenog stanja.
„Nikada ranije nismo mogli da pokrenemo nuklearne prelaze poput ove laserom“, rekao je Hadson. „Ako torijum držite na mestu providnim kristalom, možete razgovarati sa njim svetlošću.“
Hadson je rekao da bi nova tehnologija mogla da nađe primenu svuda gde je potrebna ekstremna preciznost u merenju vremena u senzorima, komunikacijama i navigaciji. Postojeći atomski satovi zasnovani na elektronima su naprave veličine sobe sa vakuum komorama za hvatanje atoma i opreme povezane sa hlađenjem. Nuklearni sat na bazi torijuma bio bi mnogo manji, robusniji, prenosiviji i tačniji.
„Niko se ne uzbuđuje zbog satova jer nam se ne sviđa ideja da je vreme ograničeno“, rekao je on. „Ali mi koristimo atomske satove sve vreme svakog dana, na primer, u tehnologijama koje omogućavaju da naši mobilni telefoni i GPS rade.
Iznad komercijalnih primena, nova nuklearna spektroskopija mogla bi da povuče zavese nad nekim od najvećih misterija univerzuma. Osetljivo merenje jezgra atoma otvara novi način da se sazna o njegovim svojstvima i interakcijama sa energijom i okolinom. Ovo će zauzvrat omogućiti naučnicima da testiraju neke od svojih najosnovnijih ideja o materiji, energiji i zakonima prostora i vremena.
„Ljudi, kao i većina života na Zemlji, postoje u razmerama ili premalim ili prevelikim da bi posmatrali šta se zaista dešava u univerzumu“, rekao je Hadson. „Ono što možemo da posmatramo iz naše ograničene perspektive je konglomerat efekata na različitim skalama veličine, vremena i energije, a čini se da se konstante prirode koje smo formulisali drže na ovom nivou.
„Ali ako bismo mogli preciznije da posmatramo, ove konstante bi mogle da variraju. Naš rad je napravio veliki korak ka ovim merenjima i, u svakom slučaju, siguran sam da ćemo biti iznenađeni onim što saznajemo.“
„Dugi niz decenija, sve preciznija merenja fundamentalnih konstanti omogućavaju nam da bolje razumemo univerzum na svim skalama i potom razvijamo nove tehnologije koje razvijaju našu ekonomiju i jačaju našu nacionalnu bezbednost“, rekla je Deniz Koldvel, vršilac dužnosti pomoćnika direktora NSF-a za matematiku i fiziku. Direkcija za nauke.
„Ova tehnika zasnovana na jezgru bi jednog dana mogla da omogući naučnicima da mere neke fundamentalne konstante tako precizno da bismo možda morali da prestanemo da ih nazivamo ’konstantnim‘.
