Branduolinį laikrodį kuriantis mokslininkas ruošia revoliucinį metodą: atskleis didžiausias Visatos paslaptis

Galbūt jau girdėjote apie atominius laikrodžius, tačiau šis, jei T. Schummo tyrimai vyks pagal planą, gali būti branduolinis. Jis toli gražu ne tik laiką rodytų, bet ir galėtų padėti išnarplioti vienas iš didžiausių Visatos paslapčių.

„Tai vis dar yra svajonė“, teigė T. Schummas, Vienos technologijos universiteto Austrijoje profesorius. „Niekas nežino, kaip tai padaryti.“

Jis ketina tai pakeisti ir tuo pačiu atskleisti daugiau žinių apie kai kurias pamatines gamtos jėgas.

Sekundės dalis

Laikrodis gali būti pagrįstas bet kuo, kas juda reguliariais intervalais ir ką galima nuskaityti. Pirmieji laikrodžiai buvo mechaniniai. Daugelyje rankinių laikrodžių šiais laikais naudojami kvarco kristalo elektromechaniniai virpesiai.

Tačiau 1950–1960 m. laikrodžių technologija patobulėjo atsiradus atominiams laikrodžiams.

Atomus sudaro branduolys, apsuptas aplink jį skriejančių elektronų debesies. Atominio laikrodžio tiksėjimas priklauso nuo šių elektronų „kvantinių perėjimų“.

Štai, kaip tai veikia. Elektronai gali sugerti energijos kiekį, kuris juos perkelia iš žemesnės energijos būsenos į aukštesnės energijos būseną. Tada jie gali grįžti į žemesnės energijos būseną tuo pačiu išleisdami tą energijos kiekį.

Šie energijos perėjimai vyksta tam tikru dažniu, kurį galima panaudoti laikui nustatyti. Visa tai vyksta neįtikėtinai greitai.

Pavyzdžiui, viena sekundė oficialiai apibrėžiama kaip 9 192 631 770 virpesių energijos kiekyje, kuris sužadina cezio 133 atomą.

Atominiai laikrodžiai yra tokie tikslūs, nes sukelia itin daug virpesių arba tiksėjimų. Taigi, jei nuskaitymo mechanizmas praleidžia vieną ar du iš jų, paprastai tai nėra didelė problema, nes per sekundę jų būna daugiau kaip 9 milijardai.

Branduoliniai laikrodžiai yra kitokie. Tiksėjimas priklauso ne nuo elektronų, o nuo paties branduolio vibracijų. Jos daug kartų greitesnės už elektronų perėjimų tiksėjimus. Tačiau, kaip teigia T. Schummas, branduolinis laikrodis vis dar kuriamas.

Laimingas sutapimas

Jis susidomėjo šios branduolinės paslapties sprendimu iš dalies atsitiktinai.

Kaip paaiškėjo, medžiaga, iš kurios lengviausia pagaminti branduolinį laikrodį, yra retas torio 229 izotopas. Nes, kaip manoma, jo branduolio tiksėjimas yra lėčiausias iš visų. Be to, institutas, kuriame dirba T. Schummas, yra viena iš nedaugelio vietų, turinčių prieigą prie šios medžiagos.

Toris 229 nėra randamas gamtoje. Jis gaunamas tik iš tam tikrų urano rūšių branduolių irimo.

Vienos technologijos universitetas yra sudaręs sutartį su Oukridžo nacionaline laboratorija JAV, kuri leidžia jam gauti torio 229 iš likusio urano, naudoto branduoliniuose bandymuose prieš kelis dešimtmečius.

Pro T. Schummo akis nepraslydo ir tai, kad jo vardas ir elemento pavadinimas yra kilę iš mitinio skandinavų dievo Toro vardo.

„Tai mane užkabino“, jis paaiškino.

Pats laikas

Nuo 2020 m. T. Schummas vykdo pagrindinius branduolinio laikrodžio kūrimo tyrimus pagal ES finansuojamą Torio branduolinio laikrodžio projektą, kuris bus vykdomas iki 2026 m. pradžios.

Jis su savo kolega profesoriumi Ekkehardu Peiku iš Vokietijos nacionalinio metrologijos instituto Braunšveige yra pagrindiniai projekto tyrėjai, kartu su Marianna Safronova iš Delavero universiteto JAV ir Peteriu Thirolfu iš Miuncheno LMU Vokietijoje.

Kad branduolinis laikrodis imtų tiksėti, jį reikia suaktyvinti lazeriu su tiksliai nustatytu reikiamu energijos lygiu. Tačiau su dabartinėmis lazerinėmis technologijomis daugumai branduolių reikalingas energijos dažnis yra nepasiekiamas.

Toris 229 yra vienas didžiausių stabilių branduolių. Manyta, kad jis gali pakeisti būseną su labai mažu energijos kiekiu, kurį dabartiniai lazeriai galėtų pasiekti, tačiau niekas iš tikrųjų nesupranta, kaip ir kodėl jis tai daro.

„Iš pradžių net nebuvo aišku, ar ši torio 229 būsena išvis egzistuoja“, sakė T. Schummas.

Dabar jau žinoma, kad ji egzistuoja. 2020 m. T. Schummas ir jo kolegos išleido izotopo energijos lygio matavimą. Nuo to laiko jie vykdė tolesnius tyrimus remdamiesi sukauptomis žiniomis.

Visa tai atveria kelią realiems laikrodžio bandymams. T. Schummas ir jo kolegos mokslininkai kūrė specialų lazerį, kuriuo būtų galima suaktyvinti torio tiksėjimą būtent reikiamu dažniu.

Netrukus jie ketina pirmą kartą nukreipti šį lazerį į kai kuriuos torio atomus ir suaktyvinti jų tiksėjimą.

„Nekantriai laukiame šio eksperimento rezultatų, nes to dar niekada nebuvo padaryta“, teigė E. Peikas. „Mes su kolegomis praeityje nesėkmingai bandėme atlikti susijusius eksperimentus su toriu 229. Šįkart jaučiame, kad esame daug geriau pasiruošę.“

Krištolinis skaidrumas

Vykdant šiuos eksperimentus torio atomai bus laikomi atominiuose spąstuose – tai labai smulkmeniškas reikalas. Jau vykdant torio branduolinio laikrodžio projektą T. Schummas taip pat vadovavo dvejų metų ES finansuojamam projektui CrystalClock, kurio tikslas buvo sukurti paprastesnę branduolinio laikrodžio konstrukciją ir nuskaitymo mechanizmą.

Buvo sumanyta užauginti kristalą, susidedantį iš kalcio fluorido ir po šią medžiagą paskirstyti torio 229 atomus. Taip gaunama kieta medžiaga, su kuria dirbti daug paprasčiau nei su atominiais spąstais.

T. Schummas ir jo kolegos, taip pat dr. Tomas Sikorskis, 2022 m. išleido dokumentą, įrodantį, kad tokius toriu papildytus kristalus galima užauginti. Kitas žingsnis – išsiaiškinti, kaip galima nuskaityti šių kristalų tiksėjimą.

T. Schummas teigia, kad šiam tikslui būtų galima pritaikyti metodą, vadinamą branduoline tomografija – visas procesas būtų daug paprastesnis, nei naudojant torio atomus spąstuose.

Gamtos jėgos

Dėl viso šio vargo verta stengtis ne todėl, kad reikėtų tikslesnių laikrodžių, o todėl, kad būtų galima išbandyti pamatinį žmonijos supratimą apie tai, kaip veikia tikrovė.

Geriausios fizikos teorijos aiškina, kad visata turi keturias pagrindines jėgas: gravitaciją, elektromagnetizmą, silpnąją branduolinę jėgą ir stipriąją branduolinę jėgą. Šių jėgų stiprumas žinomas – šie skaičiai dažnai vadinami pamatinėmis „konstantomis“.

Tačiau nėra žinoma, ar šių jėgų stiprumas buvo ir visada bus toks pats. Yra požymių, kad tolimoje praeityje, neilgai trukus po Didžiojo sprogimo, šios jėgos buvo daug stipresnės, ir gali būti, kad jos vis dar keičiasi, tegu ir itin mažu mastu.

Atominiai ir branduoliniai laikrodžiai galėtų leisti tai išbandyti. Atominio laikrodžio tiksėjimui daugiausia įtakos turi elektromagnetizmo stiprumas, tad jei tiksėjimo greitis pradėtų keistis, tai rodytų pagrindinės jėgos keitimąsi.

Tačiau elektromagnetizmas yra labai silpnas, todėl atominiai laikrodžiai, nepaisant jų kvapą gniaužiančio tikslumo, gali niekada neužfiksuoti šio pokyčio.

Ir priešingai, branduolinio laikrodžio tiksėjimus veikia stipri jėga. Taigi, jei būtų sukurtas veikiantis branduolinis laikrodis, jis galėtų būti naudojamas stebėti, ar per tam tikrą laiką nepakito stiprioji jėga.

„Perėjimo nuo atomų prie branduolių esmė nėra geresnio laikrodžio sukūrimas“, sakė T. Schummas. „Tiesą sakant, tikėtina, kad pirmasis branduolinis laikrodis nebus toks geras kaip geriausi atominiai laikrodžiai. Svarbiausia yra išrasti visiškai naują technologiją, kuri iš esmės galėtų išbandyti stipriąją jėgą.“

Šiame straipsnyje minimus tyrimus finansavo ES Europos mokslinių tyrimų taryba ir programa „Marie Skłodowska-Curie veiksmai“ (MSCA). Straipsnis buvo publikuotas ES mokslinių tyrimų ir inovacijų žurnale „Horizon“.