Ізраїльські та німецькі дослідники розробляють надточний ядерний годинник, основою якого став ізотоп торій-229. Унікальні властивості цього матеріалу дозволяють виявляти сили, у 10 трильйонів разів слабші за гравітацію. Така точність відкриває нові горизонти у пошуках темної матерії, загадкової субстанції, що, за оцінками, складає до 80% маси Всесвіту.
Про це розповідає ProIT
Торій-229: ключ до точного визначення темної матерії
Темна матерія не поглинає і не випромінює світла, а її присутність виявляється лише через невловимий вплив на звичайну матерію. Проте сучасні інструменти досі не здатні зафіксувати ці мікроскопічні взаємодії. На думку фізиків, саме ядерний годинник на основі торію-229 може стати проривом у цій сфері.
Минулого року наукові групи з Німеччини та Колорадо досягли значного прогресу, використовуючи радіоактивний ізотоп торій-229 на перших етапах створення такого годинника. Після ознайомлення з цими результатами, ізраїльські вчені з Інституту Вейцмана під керівництвом професора Гілада Переса спільно з німецькими колегами опублікували дослідження про вплив темної матерії на властивості ядра торію-229.
Атомне ядро, подібно до маятника, має свою резонансну частоту, при якій під дією відповідного випромінювання воно коливається між двома квантовими станами. У більшості матеріалів ця частота дуже висока, але у торію-229 вона настільки низька, що керувати цим процесом можна за допомогою ультрафіолетових лазерів. Саме ця особливість і робить ізотоп перспективним для створення ядерного годинника нового покоління.
“Ядерний годинник міг би стати ідеальним детектором, здатним вловлювати сили, в 10 трильйонів разів слабше гравітації, і мати роздільну здатність, що в 100 000 разів перевищуватиме роздільну здатність сучасних методів пошуку темної матерії”, — підкреслюють автори дослідження.
Проблеми вимірювання та перспективи розвитку
Головний виклик для науковців — максимально точно виміряти резонансну частоту ядра торію-229, оскільки саме ця характеристика використовується для фіксації впливу надслабких сил. За останній рік було досягнуто проривних результатів: спочатку група з Національного інституту метрології Німеччини (PTB) представила досить точні виміри, а згодом команда Університету Колорадо отримала ще більш точні дані. Теоретичні розрахунки, проведені під керівництвом доктора Вольфрама Ратцінгера, показали, що ці вимірювання здатні виявити вплив темної матерії, навіть якщо він у 100 мільйонів разів слабший за гравітацію.
За словами Гілада Переса, для подальшого розвитку ядерних годинників потрібно ще підвищити точність вимірювань. Виявлення навіть найменших змін у спектрі поглинання торію-229 може допомогти дослідити властивості темної матерії, а аналіз інтенсивності та частоти таких змін дозволить обчислити масу частинок, які її складають.
Важливо, що сам лише пошук зсувів резонансної частоти недостатній — необхідно аналізувати зміни по всьому спектру поглинання. Це новий підхід, який ще не застосовувався у пошуках темної матерії, і розрахунки вже показують його перспективність.
Наразі лабораторії по всьому світу продовжують вдосконалювати методики вимірювання резонансної частоти торію-229. Очікується, що ядерний годинник, коли він буде створений, спричинить революцію у навігаційних системах, зв’язку, управлінні енергомережами та фундаментальних дослідженнях.
Для порівняння, сучасні атомні годинники засновані на коливаннях електронів і, хоча мають високу точність, залишаються чутливими до електричних перешкод з навколишнього середовища. Ядерний годинник, заснований на коливаннях ядра, буде значно стійкішим та точнішим.
Фізики вважають, що темна матерія складається з легких субатомних частинок, маса яких у тисячі разів менша за масу електрона. Надточний ядерний годинник дозволить виявляти навіть найменші зрушення резонансної частоти, що можуть бути спричинені дією темної матерії.
Результати дослідження вже опубліковані у журналі Physical Review.