Физики провели «невозможный» лазерный эксперимент с ядром атома
Почти 50 лет физики мечтали о секретах, которые они могли бы раскрыть, повысив энергетическое состояние ядра атома с помощью лазера. Это достижение позволило бы заменить существующие атомные часы более точными ядерными часами и помогло бы достичь новых успехов в навигации и связи в глубоком космосе. Ученые также смогли бы точно измерить, являются ли фундаментальные константы природы на самом деле действительно постоянными или просто кажутся таковыми, так как мы еще не измерили их достаточно точно.
Теперь усилия под руководством Эрика Хадсона, профессора физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, позволили достичь, казалось бы, невозможного. Внедрив атом тория в высокопрозрачный кристалл и бомбардируя его лазерами, группа Хадсона преуспела в том, чтобы заставить ядро атома тория поглощать и испускать фотоны, как это делают электроны в атоме. Удивительный подвиг ученых описало издание Phys.org.
«Ядерные силы настолько сильны, что энергия в ядре в миллион раз больше той, что вы видите в электронах, а это значит, что если фундаментальные константы природы отклоняются, то результирующие изменения в ядре гораздо больше и заметнее, что делает измерения на порядки более чувствительными, — комментирует Хадсон. — Использование ядерных часов для этих измерений обеспечит наиболее чувствительный на сегодняшний день тест «постоянной вариации», и вряд ли какой-либо эксперимент в течение следующих 100 лет сможет с ним сравниться».
Группа Хадсона первой предложила серию экспериментов по стимуляции ядер тория-229, легированных в кристаллы, с помощью лазера, и провела последние 15 лет, работая над достижением недавно опубликованных результатов. Заставить нейтроны в атомном ядре реагировать на лазерный свет сложно, поскольку они окружены электронами, которые легко реагируют на свет и могут уменьшить количество фотонов, способных достичь ядра. Частица, которая повысила свой энергетический уровень, например посредством поглощения фотона, находится в «возбужденном» состоянии.
Команда ученых поместила атомы тория-229 в прозрачный кристалл, богатый фтором. Фтор может образовывать особенно прочные связи с другими атомами, подвешивая их и обнажая ядро, будто муху в паутине. Электроны были так тесно связаны с фтором, что количество энергии, необходимое для их возбуждения, было очень высоким. Это позволяло свету с более низкой энергией достигать ядра. Затем ядра тория могли поглощать эти фотоны и переизлучать их, позволяя обнаруживать и измерять возбуждение ядер.
Изменяя энергию фотонов и отслеживая скорость возбуждения ядер, команда специалистов смогла измерить энергию возбужденного состояния ядра.
«Мы никогда раньше не могли управлять ядерными переходами таким образом с помощью лазера, — уточняет Хадсон. — Если вы удерживаете торий на месте с помощью прозрачного кристалла, вы можете взаимодействовать с ним с помощью света».
По словам ученых, новая технология пригодится везде, где требуется чрезвычайная точность измерения времени, а именно: в зондировании, связи и навигации. Существующие атомные часы на основе электронов представляют собой приспособления размером с комнату с вакуумными камерами для улавливания атомов и охлаждающим оборудованием. Ядерные часы на основе тория будут намного меньше, надежнее, портативнее и точнее.
Помимо коммерческих приложений, новая ядерная спектроскопия способна приоткрыть завесу над некоторыми из самых больших тайн вселенной. Более точное измерение ядра атома позволяет по-новому взглянуть на его свойства и взаимодействия с энергией и окружающей средой. Это, в свою очередь, помогает ученым проверить фундаментальные идеи о материи, энергии и законах пространства и времени.
«Люди, как и большая часть жизни на Земле, существуют в масштабах, которые либо слишком малы, либо слишком велики, чтобы наблюдать то, что на самом деле может происходить во Вселенной», — сказал Хадсон. «То, что мы можем наблюдать с нашей ограниченной точки зрения, — это конгломерат эффектов в разных масштабах размера, времени и энергии, и константы природы, которые мы сформулировали, похоже, сохраняются на этом уровне».
«Но если бы мы могли наблюдать более точно, эти константы могли бы на самом деле меняться. Наша работа сделала большой шаг на пути к этим измерениям, и, в любом случае, я уверен, мы будем удивлены тем, что узнаем».
«На протяжении многих десятилетий все более точные измерения фундаментальных констант позволяли нам лучше понимать Вселенную на всех масштабах и впоследствии разрабатывать новые технологии, которые развивают нашу экономику и укрепляют нашу национальную безопасность», — сказала Дениз Колдуэлл, исполняющая обязанности помощника директора Директората математических и физических наук Национального научного фонда.
«Эта ядерная технология однажды позволит ученым измерить некоторые фундаментальные константы с такой точностью, что нам, возможно, придется перестать называть их «константами».
