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Oct 02, 2023

I ricercatori tedeschi ci avvicinano ulteriormente alla realizzazione di orologi nucleari

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Una collaborazione tra ricercatori di vari istituti tedeschi ci ha portato un passo avanti verso la costruzione del primo orologio nucleare. Negli esperimenti condotti presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN), i ricercatori misurano il decadimento radiativo dell'isomero nucleare del torio-229, il primo esempio di aver raggiunto questa impresa e un componente fondamentale per la costruzione di orologi nucleari.

Per anni gli orologi atomici sono stati il ​​nostro standard di precisione quando si tratta di orologi. I migliori orologi atomici ottici hanno una precisione di 10-18, che equivale a un'imprecisione di un secondo ogni 30 miliardi di anni.

Si prevede che un orologio ottico nucleare sarà almeno 10 volte più preciso. Sebbene sia stato proposto per la prima volta più di due decenni fa, i ricercatori sono stati in grado di fare solo alcuni progressi in questa direzione dopo alcune importanti scoperte negli ultimi anni.

Secondo un comunicato stampa dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza, la scoperta che ha suscitato molto scalpore negli ambienti scientifici è stata la scoperta diretta dell'isomero del torio-229. Un isomero è un atomo il cui nucleo si trova in uno stato energetico più elevato. Ciò può essere ottenuto utilizzando la luce di una frequenza specifica.

Per gli orologi atomici, i ricercatori utilizzano la frequenza della luce utilizzata per invocare le transizioni nell’atomo come misura del tempo. Per gli orologi nucleari, tuttavia, viene utilizzata solo la frequenza della luce utilizzata per eccitare il nucleo atomico. Poiché il nucleo atomico è una struttura più compatta e presenta piccoli momenti elettromagnetici, è meno suscettibile alle interferenze esterne.

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Quando l'isomero torna al suo stato fondamentale, emette un fotone, un processo che gli scienziati hanno chiamato decadimento radiativo, che è cruciale per la misurazione. Tuttavia, i ricercatori non erano riusciti in precedenza a misurare accuratamente il decadimento. Questo ostacolo è stato recentemente superato grazie ad uno sforzo di collaborazione da parte di ricercatori di varie organizzazioni di ricerca tedesche.

Gli esperimenti sono stati condotti presso la struttura ISOLDE del CERN, dove atomi di attinio-229 sono stati impiantati in cristalli di fluoruro di calcio o fluoruro di magnesio e lasciati decadere in torio-229. Il gruppo di ricerca ha misurato fotoni con una lunghezza d'onda ultravioletta di 148 nm e un'energia di transizione di 8.338 elettronvolt.

Questa è la misurazione più precisa dell'energia dell'isomero e la precisione ha visto miglioramenti di un fattore sette rispetto ai risultati precedenti, affermano i ricercatori. C’è ancora molto lavoro da fare prima di poter costruire un orologio nucleare, ma la ricerca mostra che il Torio-229 è la nostra migliore scommessa per costruirne uno.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

Estratto dello studio:

Il radionuclide torio-229 presenta un isomero con un’energia di eccitazione eccezionalmente bassa che consente la manipolazione laser diretta degli stati nucleari. Costituisce uno dei principali candidati per l'utilizzo negli orologi ottici di prossima generazione. Questo orologio nucleare sarà uno strumento unico per test precisi di fisica fondamentale. Mentre le prove sperimentali indirette dell'esistenza di uno stato nucleare così straordinario sono sostanzialmente più antiche, la prova dell'esistenza è stata fornita solo di recente osservando il decadimento della conversione elettronica dell'isomero. Sono stati misurati l'energia di eccitazione dell'isomero, lo spin nucleare e i momenti elettromagnetici, la durata della conversione degli elettroni e l'energia raffinata dell'isomero. Nonostante i recenti progressi, il decadimento radiativo dell'isomero, un ingrediente chiave per lo sviluppo di un orologio nucleare, è rimasto inosservato. Qui riportiamo il rilevamento del decadimento radiativo di questo isomero a bassa energia nel torio-229 (229mTh). Eseguendo la spettroscopia ultravioletta sotto vuoto di 229 mTh incorporati in cristalli di CaF2 e MgF2 a banda larga presso la struttura ISOLDE del CERN, vengono misurati fotoni di 8,338 (24) eV, in accordo con misurazioni recenti e l'incertezza è diminuita di un fattore sette. Si determina che l'emivita di 229mTh incorporato in MgF2 è di 670 (102) s. L'osservazione del decadimento radiativo in un cristallo con ampio gap di banda ha importanti conseguenze per la progettazione di un futuro orologio nucleare e la maggiore incertezza dell'energia facilita la ricerca dell'eccitazione laser diretta del nucleo atomico.