Физики создали первые в мире работающие ядерные часы повышенной точности

Международные группы ученых совершили прорыв в метрологии, разработав первые действующие прототипы принципиально нового хронометра — ядерных часов на основе изотопа тория-229. Две независимые команды исследователей успешно реализовали технологию, которая разрабатывалась десятилетиями и в перспективе позволит измерять время с беспрецедентной точностью.

Переход от атомов к ядрам

Любые часы работают по одному принципу: они делят время на равные промежутки. Чем больше таких делений укладывается в одну секунду, тем выше точность измерений. Более 75 лет золотым стандартом измерения времени оставались атомные часы, работающие на основе переходов электронов между орбиталями в атоме цезия. Современные приборы подобного типа способны измерять время с точностью до 19 знаков после запятой.

Однако электроны — не единственная часть атома, способная совершать колебания с предсказуемой частотой. Ядро атома также может переходить в различные энергетические состояния. Поскольку процессы в ядре протекают при гораздо более высоких энергиях, частота колебаний там значительно выше, что теоретически позволяет делить секунду на еще более мелкие доли. В 2003 году исследователи обосновали возможность практического использования изотопа тория-229 для создания ядерных часов с помощью лазерных технологий.

Преодоление технических барьеров

На практическую реализацию идеи ушли десятилетия. Лишь в 2016 году ученым удалось зафиксировать необходимое возбуждение ядра, а еще через 12 лет была экспериментально определена точная длина волны ультрафиолетового излучения, необходимая для запуска этого процесса. Главной сложностью оставалась передача ультрафиолетового света, который легко поглощается атмосферными газами.

Эту проблему независимо друг от друга решили две группы ученых: команда под руководством квантового метролога Луки Тоскани Де Коля из Венского центра квантовой науки и технологий и группа физика Бэйчэня Хуана из Университета Цинхуа. Обе команды поместили ядра тория-229 в кристалл фторида кальция. Чтобы компенсировать технические погрешности, группа Хуана увеличила мощность ультрафиолетового лазера, а коллеги Де Коля повысили концентрацию изотопа в кристалле.

Новые горизонты для фундаментальной физики

Создание работающего прототипа ядерных часов открывает перед исследователями новые возможности. Сверхточные измерения времени позволят фиксировать тончайшие изменения пространства-времени, вызванные гравитацией и ускорением. В обзорах отмечается, что это поможет ученым:

• Проверить предсказания теории относительности Альберта Эйнштейна на новом уровне точности;
• Обнаружить возможные отклонения от Стандартной модели физики элементарных частиц;
• Провести более глубокие поиски легкой темной материи, на которую, по оценкам астрофизиков, приходится около 85% массы Вселенной.

В ходе тестирования установки команда Луки Тоскани Де Коля уже использовала новую систему для поиска следов темной материи. Хотя прямых улик обнаружить пока не удалось, сама демонстрация работоспособности прибора подтвердила его колоссальный потенциал для фундаментальной науки. Результаты обоих исследований опубликованы на портале препринтов arXiv.