פריצת דרך גרעינית מדהימה יכולה לשכתב את הקבועים הבסיסיים של הטבע

הממצאים עשויים להוביל ליצירת השעון המדויק ביותר אי פעם, שיקל על התקדמות בניווט ותקשורת בחלל העמוק.

שימוש בלייזר להעלאת מצב האנרגיה של אָטוֹםהגרעין של, המכונה עירור, יכול להוביל לפיתוח השעונים האטומיים המדויקים ביותר. תהליך זה היה מאתגר מכיוון שהאלקטרונים המקיפים את הגרעין מגיבים מאוד לאור, ומצריכים יותר אור כדי להשפיע על הגרעין. UCLA פיזיקאים התגברו על כך על ידי חיבור האלקטרונים עם פלואור בגביש שקוף, מה שמאפשר להם לעורר את הנייטרונים בגרעין אטום התוריום באמצעות כמות מתונה של אור לייזר. הישג זה סולל את הדרך למדידות מדויקות יותר באופן משמעותי של זמן, כוח משיכה ושדות אחרים, העולים בהרבה על הנוכחי דיוק רמות המסופקות על ידי אלקטרונים אטומיים.

במשך כמעט חצי מאה, פיסיקאים חזו את האפשרויות שעלולות להיווצר מהעלאת מצב האנרגיה של גרעין האטום באמצעות לייזר. פריצת דרך זו תאפשר את החלפת השעונים האטומיים הנוכחיים בשעון גרעיני, מכשיר שמירת הזמן המדויק ביותר שנוצר אי פעם. דיוק כזה יחולל מהפכה בתחומים כמו ניווט בחלל עמוק ותקשורת.

זה גם יאפשר למדענים למדוד במדויק אם הקבועים היסודיים של הטבע הם, למעשה, באמת קבועים או רק נראים כי הם עדיין לא מדדנו אותם במדויק מספיק.

כעת, מאמץ בראשות אריק הדסון, פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה ב-UCLA, השיג את הבלתי אפשרי לכאורה. על ידי הטבעת אטום תוריום בתוך גביש שקוף ביותר והפצצתו בלייזרים, הקבוצה של הדסון הצליחה לגרום לגרעין של אטום התוריום לספוג ולפלוט פוטונים כמו אלקטרונים באטום. ההישג המדהים מתואר במאמר שפורסם בכתב העת מכתבי סקירה פיזית.

יכולות מדידה משופרות

משמעות הדבר היא שניתן לבצע מדידות של זמן, כוח משיכה ושדות אחרים המבוצעים כיום באמצעות אלקטרונים אטומיים עם דיוק גבוה יותר בסדרי גודל. הסיבה היא שהאלקטרונים האטומיים מושפעים מגורמים רבים בסביבתם, מה שמשפיע על האופן שבו הם קולטים ופולטים פוטונים ומגביל את דיוקם. ניוטרונים ופרוטונים, לעומת זאת, קשורים ומרוכזים מאוד בתוך הגרעין וחווים פחות הפרעות סביבתיות.

באמצעות הטכנולוגיה החדשה, מדענים עשויים להיות מסוגלים לקבוע אם קבועים בסיסיים, כגון קבוע המבנה העדין שקובע את עוצמת הכוח המחזיק את האטומים יחד, משתנים. רמזים מאסטרונומיה מצביעים על כך שקבוע המבנה העדין עשוי שלא להיות זהה בכל מקום ביקום או בכל נקודות הזמן. מדידה מדויקת באמצעות השעון הגרעיני של קבוע המבנה העדין יכולה לשכתב לחלוטין כמה מחוקי הטבע הבסיסיים ביותר הללו.

"כוחות גרעיניים כל כך חזקים שזה אומר שהאנרגיה בגרעין חזקה פי מיליון ממה שרואים באלקטרונים, מה שאומר שאם הקבועים הבסיסיים של הטבע סוטים, השינויים שנוצרו בגרעין הם הרבה יותר גדולים ומורגשים יותר, מה שהופך מדידות בסדרי גודל לרגישות יותר", אמר הדסון. "שימוש בשעון גרעיני למדידות אלה יספק את המבחן הרגיש ביותר של 'שונות מתמדת' עד כה, וסביר להניח ששום ניסוי במשך 100 השנים הבאות לא יתחרה בו."

הקבוצה של הדסון הייתה הראשונה שהציעה סדרה של ניסויים לגירוי גרעיני תוריום-229 המסוממים לגבישים בלייזר, ובילתה את 15 השנים האחרונות בעבודה להשגת התוצאות החדשות שפורסמו. לגרום לנייטרונים בגרעין האטום להגיב לאור לייזר משום שהם מוקפים באלקטרונים, אשר מגיבים בקלות לאור ויכולים להפחית את מספר הפוטונים שבאמת יכולים להגיע לגרעין. חלקיק שהעלה את רמת האנרגיה שלו, כמו דרך קליטה של ​​א פוטוןנאמר שהוא במצב "נרגש".

אתגרים וחידושים בפיזיקה גרעינית

צוות UCLA הטמיע אטומי תוריום-229 בתוך גביש שקוף העשיר בפלואור. פלואור יכול ליצור קשרים חזקים במיוחד עם אטומים אחרים, להרחיק את האטומים ולחשוף את הגרעין כמו זבוב בקורי עכביש. האלקטרונים היו קשורים כל כך בחוזקה עם הפלואור שכמות האנרגיה שנדרש כדי לעורר אותם הייתה גבוהה מאוד, מה שאפשר לאור באנרגיה נמוכה להגיע לגרעין. לאחר מכן יכלו גרעיני התוריום לספוג את הפוטונים הללו ולפלוט אותם מחדש, מה שמאפשר לזהות ולמדוד את עירור הגרעינים. על ידי שינוי האנרגיה של הפוטונים וניטור הקצב שבו הגרעינים מתרגשים, הצוות הצליח למדוד את האנרגיה של המצב הגרעיני הנרגש.

"מעולם לא הצלחנו להניע מעברים גרעיניים כאלה עם לייזר בעבר", אמר הדסון. "אם אתה מחזיק את התוריום במקומו עם גביש שקוף, אתה יכול לדבר איתו באור."

הדסון אמר שהטכנולוגיה החדשה יכולה למצוא שימושים בכל מקום שנדרש דיוק קיצוני בקביעת זמן בחישה, תקשורת וניווט. שעונים אטומיים קיימים המבוססים על אלקטרונים הם ציוד בגודל חדר עם תאי ואקום כדי ללכוד אטומים וציוד הקשורים לקירור. שעון גרעיני מבוסס תוריום יהיה הרבה יותר קטן, חזק יותר, נייד יותר ומדויק יותר.

"אף אחד לא מתלהב משעונים כי אנחנו לא אוהבים את הרעיון של זמן מוגבל", אמר. "אבל אנחנו משתמשים בשעונים אטומיים כל הזמן בכל יום, למשל, בטכנולוגיות שמייצרות את הטלפונים הסלולריים שלנו ג'י.פי. אס עֲבוֹדָה."

מעל ומעבר ליישומים מסחריים, הספקטרוסקופיה הגרעינית החדשה יכולה להסיט את הווילונות על כמה מהתעלומות הגדולות ביותר של היקום. מדידה רגישה של גרעין האטום פותחת דרך חדשה ללמוד על תכונותיו ואינטראקציות שלו עם אנרגיה וסביבה. זה, בתורו, יאפשר למדענים לבדוק כמה מהרעיונות הבסיסיים ביותר שלהם לגבי חומר, אנרגיה וחוקי המרחב והזמן.

"בני אדם, כמו רוב החיים על פני כדור הארץ, קיימים בקנה מידה קטן מדי או גדול מדי מכדי לצפות במה שבאמת מתרחש ביקום", אמר הדסון. "מה שאנחנו יכולים לראות מנקודת המבט המוגבלת שלנו הוא אוסף של השפעות בקנה מידה שונה של גודל, זמן ואנרגיה, ונראה שהקבועים של הטבע שניסחנו מתקיימים ברמה זו.

"אבל אם נוכל להתבונן בצורה מדויקת יותר, הקבועים הללו עשויים להשתנות! העבודה שלנו עשתה צעד גדול לקראת המדידות האלה, ובכל מקרה, אני בטוח שנהיה מופתעים ממה שנלמד".

"במשך עשורים רבים, מדידות מדויקות יותר ויותר של קבועים בסיסיים אפשרו לנו להבין טוב יותר את היקום בכל קנה מידה ובעקבות כך לפתח טכנולוגיות חדשות שמצמיחות את הכלכלה שלנו ומחזקות את הביטחון הלאומי שלנו", אמרה דניז קאלדוול, ממלאת מקום עוזרת המנהלת של המערך המתמטי והפיזי של NSF. מנהלת המדעים, אשר סיפקה מימון למחקר. "הטכניקה המבוססת על גרעין יכולה יום אחד לאפשר למדענים למדוד כמה קבועים בסיסיים בצורה כל כך מדויקת שאולי נצטרך להפסיק לקרוא להם 'קבועים'."

המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע בארה"ב.