צוות מחקר בינלאומי מקדם שמירת זמן מדויקת על ידי פיתוח שעון גרעיני באמצעות איזוטופים תוריום ושיטות לייזר חדשניות, שעלולות לשנות את ההבנה שלנו לגבי קבועים פיזיקליים וחומר אפל. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
דרך חדשה ומדויקת יותר למדידת זמן היא המטרה של פרויקט מחקר בינלאומי בו מעורבת הפיזיקאית של וירצבורג אדריאנה פאלפי-בוס. התוצאות יכולות לעזור גם בחיפוש אחר חומר אפל.
מערכת הניווט העולמית ג'י.פי. אס, תעבורת נתונים דיגיטלית ברשת הטלפון, מדידת כדור הארץ מלוויינים: כל הטכנולוגיות הללו לא היו פועלות ללא שומרי זמן מדויקים. כאן, כמה מיליארדיות השנייה הם קריטיים כדי שהתוצאות יהיו נכונות. המדע – במיוחד הפיזיקה – תלוי גם בשעונים מדויקים ביותר אם הוא רוצה לגלות, למשל, ממה עשוי החומר האפל או אם קבועים טבעיים הם למעשה קבועים.
בסיס חדש ביסודו לשעון כל כך דיוק הוא המוקד של פרויקט מחקר בינלאומי שאושר כעת. בסוף שנת 2023, קרן המדע האוסטרית FWF הקימה למטרה זו מה שנקרא "אזור מחקר מיוחד", הדומה למרכז מחקר שיתופי של קרן המחקר הגרמנית (DFG).
במהלך ארבע השנים הקרובות, צוותים מאוניברסיטת וינה והאוניברסיטה הטכנולוגית של וינה, המכון למדע וטכנולוגיה אוסטריה וג'וליוס-מקסימיליאן-אוניברסיטת ווירצבורג (JMU) יעבדו יחד על הפרויקט, שממומן ב-3.1 מיליון יורו. אדריאנה Pálffy-Buß מעורבת בפרויקט מווירצבורג. המומחית באופטיקה קוונטית של קרני רנטגן לקחה את הפרופסורה למידע קוונטי תיאורטי ואופטיקה קוונטית ב-JMU בתחילת 2022. עם קבוצתה היא גם עורכת מחקר באשכול המצוינות של וירצבורג-דרזדן ct.qmat – מורכבות וטופולוגיה בחומרים קוונטיים.
הקפיצה של גרעין תוריום ממצב הנרגש אל הקרקע היא נקודת המוצא של סוג חדש של שעון שצוותי מחקר מווירצבורג ומווינה רוצים לפתח. קרדיט: Oselote / iStockphoto (Atomkern) /KI Hintergrund), עריכה
הגברת דיוק המדידה של שיטות פיזיקליות
"חוקרים בראשות אוליבר הקל מאוניברסיטת וינה רוצים להגדיל את המדידה דיוק של שיטות פיזיקליות בתחום המחקר המיוחד 'מטרולוגיה קוהרנטית מעבר למעברי דיפול חשמליים'. תעשה שימוש בשיטה חדשנית המשתמשת באור עם מומנטום זוויתי מסלולי", על פי ההודעה לעיתונות של FWF. מה זה אומר?
"שומרי הזמן המדויקים ביותר כיום הם שעונים אטומיים, המודדים זמן על סמך תדירות המעברים שעושים אלקטרונים בין רמות האנרגיה השונות של אָטוֹם. בפרויקט שלנו, אנו רוצים להשתמש בלייזר צר פס שפותח לאחרונה כדי לגרום לגרעין אטום לקפוץ בין רמות אנרגיה ולפלוט פוטונים, כלומר חלקיקי אור, בתהליך. שעון גרעיני כזה יכול להגביר את דיוק המדידה בפקטור של כ-3", מסבירה אדריאנה פאלפי-בוס.
מחקר על איזוטופ של היסוד תוריום
צוות המחקר מתמקד באיזוטופ של היסוד תוריום. לגרעין התוריום המדובר יש 229 אבני בניין גרעיניות – פרוטונים וניטרונים – והוא יכול להגיע למצב נרגש שהוא רק בסביבות שמונה וולט אלקטרונים יותר אנרגטי ממצב האנרגיה הנמוך ביותר שלו, מה שנקרא מצב הקרקע.
"ההבדל הזה הוא כל כך זעיר בסטנדרטים של הפיזיקה הגרעינית עד שבקושי ניתן היה להבחין בין שתי המדינות כשהן נצפו לראשונה", אומר Pálffy-Buß. יחד עם זאת, ההבדל הזה הוא שיכול לאפשר "מדידת זמן גרעינית". הוכחה ניסויית לקפיצה הזו ממצב הנרגש לקרקע של גרעין תוריום עם פליטת פוטון הושג בשנת 2023.
צרו אטומי תוריום בלייזר ותלכוד את הפוטונים שאתם מחפשים: למרבה הצער, "השעון הגרעיני" לא עובד כל כך בקלות. אחת הסיבות לכך: "צריך בערך שמונה וולט אלקטרונים כדי לעורר את הגרעין. עם זאת, מספיק שישה וולט אלקטרונים כדי להסיר את האלקטרון החיצוני ביותר ממסלולו. במקרה זה, הגרעין הנרגש מעדיף להעביר את האנרגיה העודפת שלו אל האלקטרון במקום לפלוט פוטון. עם זאת, יש להימנע מכך", מסביר הפיזיקאי.
הפתרון לבעיה זו יכול להיות שילוב אטומי תוריום לתוך גבישים שקופים מיוחדים. "הניסויים המקבילים הראו שתוריום תופס את מקומו בסריג הגביש במצב יוני – במילים אחרות, הוא מוותר על האלקטרון החיצוני שלו", מסביר Pálffy-Buß. הגביש יכול גם לארח גרעיני תוריום רבים בבת אחת, מה שמקל על זיהוי הפוטון שמחפשים.
פעימות לייזר בצורת חולץ פקקים מסתובב נועדו להביא את גרעיני התוריום למצב הנרגש הרצוי. קרדיט: טוביאס קירשבאום
חולצי פקקים מסתובבים כפתרון
בעיה נוספת: עד היום אין לייזר עם הדיוק הדרוש להפעלת האפקט הרצוי. צוות המחקר האוסטרי-גרמני מסתמך אפוא על "השיטה החדשנית שמשתמשת באור עם תנע זוויתי מסלולי". זה מכונה גם קרני אור מעוותות או מערבולת.
במילים מאוד פשוטות, פולסי לייזר אינם פוגעים באטומי התוריום כמו "קיר אנרגיה" בשיטה זו. במקום זאת, הם דומים לסוג של חולץ פקקים מסתובב ולכן יש סיכוי גבוה יותר להכניס את גרעיני האטום למצב הנרגש הרצוי.
חישובי תיאוריה לתרחיש האידיאלי
כמומחית לפיזיקה תיאורטית, אדריאנה Pálffy-Buß תתמוך בעיקר בפרויקט המחקר בחישוביה. "אני מעצב ומדמה את מה שיקרה במערך ניסויים שונים ומציע הצעות מה יעבוד הכי טוב", מסכם הפיזיקאי. בין גישות רבות, היא מנסה לזהות את התרחיש המבטיח ביותר. על כך היא מקבלת כ-375,000 יורו מקופה המימון של תחום המחקר המיוחד – מספיק כדי לממן שתי משרות דוקטורט.
עבור פיזיקאים, פרויקט המחקר הזה הוא סופר מרגש, אומר Pálffy-Buß. "שעון גרעיני יאפשר לחקור מושגים שבדרך כלל מובנים מאליהם, כמו השאלה אם הקבועים הפיזיקליים הבסיסיים באמת קבועים." זה יכול גם לעזור לענות על השאלה ממה עשוי החומר האפל. "בשל האינטראקציות הבסיסיות שמשחקות תפקיד במעברים גרעיניים, השעון הגרעיני נמצא בעמדה ייחודית לענות על שאלות כאלה", מסכם הפיזיקאי.
