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May 30, 2023

Finalmente si vedono i fotoni della transizione dell'orologio nucleare

The first direct measurement has been made of a thorium-229 nuclear transition

È stata effettuata la prima misurazione diretta di una transizione nucleare del torio-229 che potrebbe potenzialmente costituire la base per un "orologio nucleare". Condotta al CERN, la ricerca segue un esperimento del 2016 che ha confermato l'esistenza della transizione ma non ha rilevato il fotone emesso risultante. Resta ancora molto lavoro prima di poter produrre un orologio funzionante, ma se un tale dispositivo si rivelasse possibile, potrebbe rivelarsi uno strumento importante per la ricerca nel campo della fisica fondamentale.

Gli orologi più accurati oggi si basano su insiemi di atomi intrappolati otticamente come lo stronzio o l'itterbio. I laser altamente stabili sono bloccati in risonanza con le frequenze di specifiche transizioni atomiche e le oscillazioni del laser si comportano effettivamente come oscillazioni del pendolo, anche se con frequenze molto più elevate e quindi maggiore precisione. Questi orologi possono essere stabili entro 1 parte nel 1020, il che significa che saranno fuori di soli 10 ms dopo 13,7 miliardi di anni di funzionamento – l’età dell’universo.

Gli orologi atomici non sono solo ottimi cronometri, i fisici li hanno usati per studiare una serie di fenomeni fondamentali come il modo in cui la teoria della relatività generale di Einstein si applica agli atomi confinati in trappole ottiche. Alla ricerca di una precisione sempre maggiore e di intuizioni più profonde, nel 2003 Ekkehard Peik e Christian Tamm della Physikalisch-technische Bundesanstalt di Braunschweig, in Germania, proposero che si potesse produrre un orologio interrogando non i livelli di energia elettronica degli atomi ma i livelli di energia nucleare.

Un simile orologio nucleare sarebbe estremamente ben isolato dal rumore esterno. "Un atomo ha qualcosa come 10-10 m [di diametro]; un nucleo è qualcosa come 10-14 o 10-15 m", spiega Sandro Kraemer della KU Leuven in Belgio, coinvolto in quest'ultima ricerca. "Il nucleo è un'antenna molto più piccola per l'ambiente ed è quindi molto meno incline agli spostamenti."

Un orologio nucleare potrebbe quindi essere un’eccellente sonda per ipotetiche, piccolissime variazioni temporali nei valori di costanti fondamentali come la costante di struttura fine, che quantifica la forza dell’interazione elettromagnetica. Qualsiasi cambiamento di questo tipo indicherebbe la fisica oltre il Modello Standard. Inoltre, il legame nucleare è più forte della sua controparte atomica, quindi gli spostamenti tra i livelli energetici sono più elevati in termini di energia e sarebbero in risonanza con i laser a frequenza più elevata, rendendo rilevabile un cambiamento più piccolo.

Questa è tuttavia un'arma a doppio taglio, poiché la maggior parte delle transizioni nucleari avviene a frequenze molto più elevate di quelle che possono essere prodotte dai laser odierni. Il torio-229, tuttavia, ha uno stato eccitato metastabile a circa 8 eV sopra lo stato fondamentale, una transizione che si trova nell’ultravioletto del vuoto.

Kraemer spiega che costruire un laser per eccitare questo stato dovrebbe essere quasi possibile: "Dei circa 3000 radionuclei che conosciamo oggi, il torio è l'unico che conosciamo che ha uno stato adatto all'eccitazione laser".

Innanzitutto, però, i ricercatori devono conoscere l’esatta frequenza della transizione. In effetti, il decadimento era stato previsto da tempo dalla teoria, ma i tentativi di rilevare il fotone emesso si erano rivelati infruttuosi. Nel 2016, però, i ricercatori dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco ne hanno indirettamente confermato l’esistenza misurando l’emissione di elettroni in un processo chiamato conversione interna, in cui l’energia del decadimento nucleare ionizza l’atomo.

I fisici misurano l’energia dello stato eccitato nucleare più basso

Ora, Kraemer e colleghi hanno effettuato la prima rilevazione diretta dei fotoni ultravioletti del vuoto emessi studiando gli ioni torio-229 eccitati. L'idea di fondo non è nuova, dice Kraemer, ma in precedenza i ricercatori hanno provato a farlo impiantando l'uranio-233 in cristalli, che possono decadere nel torio-229 eccitato. Il problema, dice Kraemer, è che questo rilascia oltre 4 MeV di energia nel cristallo, il che "è positivo per uccidere il cancro, ma davvero dannoso per noi" poiché danneggia il cristallo, interferendo con le sue proprietà ottiche.

Nel nuovo lavoro, quindi, i ricercatori hanno utilizzato la struttura ISOLDE del CERN per impiantare ioni attinio-229 in cristalli di fluoruro di magnesio e fluoruro di calcio. Questi possono decadere nel nucleo metastabile di torio-229 eccitato mediante decadimento β, che rilascia nel cristallo quattro ordini di grandezza di energia in meno. I ricercatori hanno quindi potuto rilevare i fotoni e misurare l'energia di transizione. La precisione finale è ancora ben al di sotto dell’incertezza necessaria per costruire un orologio, e i ricercatori stanno ora lavorando con i fisici del laser per perfezionarla.