Первые в мире ядерные часы позволят отследить, на самом ли деле постоянны фундаментальные константы

Сверхточное измерение перехода в сердцах атомов тория даёт физикам инструмент для исследования сил, связывающих Вселенную.

Однажды ночью, в 11:30, в мае 2024 года аспирант Чуанкун Чжан увидел сигнал, который физики искали 50 лет. Когда на мониторе в исследовательском институте JILA в Боулдере, штат Колорадо, появился пик, Чжан скинул скриншот в групповой чат трём своим товарищам по лаборатории. Один за другим они вскакивали с постели и присоединялись к беседе. После нескольких проверок, чтобы убедиться в реальности того, на что они смотрят, — сигнала от ядра тория-229, переключающегося между двумя состояниями, известного как переход «ядерных часов», — молодые исследователи сделали селфи на память о моменте. Метка времени: 3:42 утра.

На еженедельной встрече с руководителем группы Чжун Йе, создателем самых точных в мире атомных часов, они решили вести себя спокойно. «Они все были с покерфейсом», — говорит Йе, пока Чжан не показал слайд с изображением долгожданного пика. Слёзы залили глаза Йе, когда в 9:30 утра группа подняла бокалы с шампанским.

Измерения группы, о которых сообщается 4 сентября 2024 года в журнале Nature, — это третье наблюдение перехода тория-229, опубликованное за последние четыре месяца, вслед за результатами, полученными в Германии и Калифорнии. Но новое измерение в миллионы раз точнее, чем другие, и оно знаменует собой конец марафона по поиску точной частоты лазера, необходимой для того, чтобы вызвать переход ядерных часов. «Эта статья — невероятное техническое достижение», — говорит Ханна Уильямс, физик из Даремского университета (Великобритания), не принимавшая участия в работе.

Что ещё более важно, она даёт старт новым попыткам: теперь исследователи попытаются использовать переход для наблюдения за тем, меняются ли законы физики с течением времени, как это предсказывают многие теории фундаментальной физики. Благодаря, казалось бы, случайному, почти точному взаимному аннулированию двух из четырёх сил природы в ядре тория-229, переход ядерных часов чрезвычайно чувствителен к изменениям в этих силах. Поэтому измерение этого перехода тория-229 в разное время может выявить любые изменения в фундаментальных константах физики.

«Я вижу в этом начало прекрасного путешествия, — говорит Асимина Арванитаки , физик-теоретик из Института теоретической физики Периметра в Канаде, которая также не принимала участия в проекте. — Теперь мы измерили эту причуду природы. Но для того, чтобы использовать его причудливость, нужно проделать большую работу».

Причуда природы

Учёные поняли, что в изотопе тория-229 есть что-то особенное, ещё в 1976 году, когда они впервые изучили этот побочный продукт исследований ядерного оружия времён холодной войны.

Обычно атомы находятся в так называемом основном состоянии, когда все электроны стабильно вращаются вокруг ядра. Но электрон может также поглощать энергию из внешнего мира в виде фотона и возбуждаться, на мгновение ускоряя движение вокруг атома, затем снова испускать фотон и возвращаться в основное состояние. Фотон должен обладать нужным количеством — или «квантом» — энергии, чтобы возбудить электрон.

Современное понятие времени фактически определяется этим процессом. Учёные используют лазер для облучения атома цезия фотонами. Затем они изменяют длину волны лазера до тех пор, пока каждый фотон не приобретёт энергию, необходимую для возбуждения электрона. Эта сверхточная длина волны и определяет международный стандарт секунды — время, которое требуется 9 192 631 770 длинам волн, чтобы пройти через заданную точку в пространстве.

Ядра, плотные шарики нейтронов и протонов в ядре атома, также имеют основное и возбуждённое состояния, в которых один из составляющих их протонов или нейтронов поглощает фотон и на короткое время начинает вращаться с большей энергией. Но эти частицы упакованы гораздо плотнее, чем электроны, поэтому для их возбуждения требуются гораздо более энергичные фотоны — гамма-лучи. Их гораздо труднее получить в больших количествах или с точной энергией.

Однако с ядром тория-229 всё обстоит иначе.

С 1950-х по 1970-е годы Соединённые Штаты произвели около двух тонн урана-233 — оружейного расщепляющегося материала, который изучался как возможная альтернатива урану-235 и плутонию-239 в исследованиях атомного оружия. В итоге программа была свёрнута, оставив после себя лишь несколько баков с радиоактивной жидкостью. Но когда в 1976 году физики-ядерщики Ларри Крогер и Чарльз Райх из Национальной лаборатории Айдахо изучили излучение, исходящее от этой жидкости, они обнаружили косвенные доказательства того, что «дочернее» ядро урана-233 (продукт его радиоактивного распада), торий-229, обладает загадочным возбуждённым ядерным состоянием, в котором используется гораздо меньше энергии, чем ожидалось.

Каждое ядро живёт в напряжённом противостоянии двух сил природы. Электромагнитная сила между положительно заряженными протонами пытается разорвать его на части, в то время как сильная сила удерживает связку вместе. Возбуждение нейтрона или протона приводит ядро в новое состояние с более энергичным равновесие между двумя силами.

Исследователи из Айдахо заметили, что изменение собственного углового момента, или «спина», крайнего нейтрона тория-229 требует в 10 000 раз меньше энергии, чем обычное ядерное возбуждение. Изменённый спин нейтрона слегка изменяет действие электромагнитных и сильных сил, но эти изменения почти полностью отменяют друг друга. Таким образом, возбуждённое ядерное состояние почти не отличается от основного. Многие ядра имеют подобные спиновые переходы, но только в тории-229 эта отмена так почти идеальна.

«Это случайность, — говорит Виктор Фламбаум , физик-теоретик из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. — Априори для тория нет никаких особых причин. Это просто экспериментальный факт». Но эта случайность сил и энергии имеет большие последствия.

Часовые константы

Потребовались десятилетия, чтобы учёные поняли, насколько особенным является торий-229 и что с ним делать.

Измерения Крогера и Райха, проведённые в 1976 году, были неточными, поскольку проводились в шумной радиационной ванне, которую создают отходы урана-233. Они не могли видеть низкоэнергетические фотоны, высвобождающиеся при распаде ядер до основного состояния; они лишь косвенно определяли энергию по картине более мощного гамма-излучения, испускаемого более возбуждёнными ядрами.

В 1990 году Райх и его коллеги повторили это измерение более тщательно и обнаружили, что энергия возбуждённого состояния ещё меньше — более чем в 10 раз — чем они думали вначале. Если для ядерных переходов часто требуются миллионы электрон-вольт, то для тория-229 — менее 10. Это был настоящий поворот в игре: Ни один другой изотоп не имеет ядерного перехода в энергетическом диапазоне обычных лазеров, которые могут надёжно и точно доставить энергию для запуска перехода. «Во всей таблице всех ядер он единственный», — говорит Эрик Хадсон, физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Если бы кто-то смог изолировать эти ядра от радиоактивной среды и подобрать энергию ультрафиолетового лазера к этому возбуждённому состоянию, он мог бы запускать его по своему усмотрению, так же как это можно делать с электроном.

Подавляющее большинство правительственных «отходов» урана-233 по-прежнему хранилось в охраняемых комнатах в лабораториях Айдахо и Ок-Риджа. «Их бюджет составлял около 20 миллионов долларов в год, которые уходили на то, чтобы просто сидеть там и следить, чтобы никто не вошёл и не украл всё это, — говорит Саед Мирзаде, радиохимик, проработавший в Ок-Ридже 31 год. — Они просто сидели и курили свои сигареты, а на шее у них висело оружие».

В 1994 году Мирзаде, знавший о работе команды из Айдахо, убедил лабораторию предоставить ему доступ к томящимся чанам с опасной жидкостью. Он разработал метод, позволяющий отделить атомы урана, уже распавшиеся на торий-229, от тех, которые ещё не распались. «В первый раз, когда мы действительно сделали это, у входа в лабораторию стояли охранники с автоматами», — говорит он. Он отметил, что большая часть существующих в мире запасов тория-229 получена благодаря его усилиям.

Стали появляться идеи, как использовать такое уникальное ядро. В 2003 году Эккехард Пайк и Кристиан Тамм из Федерального физико-технического института (PTB), метрологического института Германии, предложили использовать его для создания ядерных часов. Поскольку ядра экранированы от внешнего мира облаками электронов, они поняли, что часы на основе атомов тория-229 будут невосприимчивы к фоновым помехам, от которых страдали лучшие атомные часы того времени.

Затем Фламбаум показал, что такие чувствительные, изолированные часы можно использовать для проверки постоянства самой природы.

Физики разработали уравнения, характеризующие силы, которые связывают Вселенную, и в эти уравнения вписали 26 чисел, называемых фундаментальными константами. Эти числа, такие как скорость света или гравитационная постоянная, определяют, как всё работает в нашей Вселенной. Но многие физики считают, что на самом деле эти числа могут быть не постоянными.

Теоретические идеи, такие как теория струн, которые пытаются построить более глубокое и полное понимание того, откуда берутся силы, часто предсказывают, что эти числа, даже скорость света, слегка меняются с течением времени. Другими словами, константы могут быть результатом глубинных явлений или процессов, которые сами по себе динамичны. Это также предсказывает одна из самых популярных теорий тёмной материи — невидимого вещества, которое плавает в галактиках и вокруг них. Если тёмная материя состоит из волнообразных частиц, называемых аксионами, то меняющаяся от места к месту плотность аксионов должна вызывать колебания силы некоторых сил.

Эти небольшие изменения в законах природы могут слегка нарушить тонкий процесс балансировки, происходящий в ядре каждого атома, и изменить энергию его состояний. Энергии ядерных состояний возникают в результате сложения и вычитания огромных электромагнитных и сильных сил, действующих на все протоны и нейтроны. Даже относительно небольшое изменение силы одной из этих сил приведёт к существенному сдвигу энергии. Этот сдвиг будет особенно заметен, если применить его к удивительно крошечной энергии перехода тория-229.

В 2000-х и 2010-х годах несколько команд включились в гонку за создание первых ядерных часов. Чтобы победить, им нужно было выяснить точную энергию лазера, необходимую для возбуждения ядерного состояния, которое теперь называется переходом ядерных часов.

Фотофиниш

Существующая оценка энергии, необходимой для перехода ядерных часов, была в тысячу раз менее точной, чем длины волн лазеров, с помощью которых исследователи пытались его исследовать. Таким образом, нужно было исключить тысячи длин волн лазеров. Настроив лазер на одну из этих длин волн, исследователи должны были поймать в ловушку несколько атомов тория-229, ударить по ним лазером, а затем дождаться фотонов, свидетельствующих о возбуждении состояния. Этот процесс исключения просто занял бы слишком много времени.

Следуя примеру Хадсона, группы начали создавать твёрдые кристаллические соединения со встроенным в них торием — подход, упомянутый в первоначальном предложении Пейка и Тамма. Кристаллы могут содержать квадриллионы атомов, а не только несколько, поэтому лазер может быстро перебирать длины волн.

Прорыв, совершённый в прошлом году в ЦЕРНе, резко ускорил гонку. Как и в старых исследованиях в Айдахо, команда ЦЕРН произвела возбуждённый торий-229 путём радиоактивного распада, а затем посмотрела на выходящие фотоны. Но они нашли способ сделать это в гораздо более тихой среде, что позволило им напрямую измерить слабые лучи ультрафиолетового света, исходящие от перехода ядерных часов, и установить более жёсткую оценку энергии перехода.

Уточнённая оценка команды ЦЕРН сузила круг поиска охотников за длинами волн с целого леса до небольшой рощицы, которую они немедленно начали прочёсывать. В апреле этого года европейская команда первой сообщила, что исследовала состояние с помощью лазера. Пейк предоставил свой опыт работы с лазером, а группа воспользовалась установкой для выращивания кристаллов, созданной физиком Торстеном Шуммом в Венском университете.

Группа Хадсона шла прямо по пятам — статья, сообщающая об их открытии, появилась в Physical Review Letters в июле.

Группа Йе из JILA также получила один из кристаллов Шумма и стремилась вызвать переход в тории-229. В течение многих лет группа использовала свои знания в области создания часов, чтобы разработать специальный ультрафиолетовый лазер с единственной целью — превратить торий-229 в ядерные часы. Лазер позволяет Йе и его группе тестировать множество длин волн одновременно, чтобы приблизиться к любому переходу, который он ищет. Новая статья его команды завершает трио параллельных открытий и, вероятно, станет самым точным измерением энергии состояния на ближайшие годы.

«Все эти результаты были получены за очень короткий промежуток времени, — сказал Уильямс, — так что очень интересно, что они собираются делать дальше».

Полученный результат запускает часы в испытании тория на прочность силами природы. «Теперь начинается самое интересное, — говорит Хадсон, предвкушая, как он будет использовать новый инструмент для изучения фундаментальных констант. — Мы действительно можем заниматься этими вещами».

Энергия ядерного состояния тория гораздо более чувствительна к изменениям фундаментальных констант, чем энергия любого другого атомного состояния. Но учёным придётся ещё больше повысить точность измерений, чтобы заметить более тонкие изменения, чем те, которые уже исключены обычными атомными часами. В настоящее время Йе может измерить переход ядерных часов с точностью до одной части на триллион, но возможные вариации могут составлять всего одну часть на 10 триллионов. «Этого хватит на много лет вперёд», — говорит он.

Однако в конечном итоге некоторые старые побочные продукты холодной войны могут дать первые доказательства более глубокой, ещё не открытой физики, которая лежит в основе видимой нами Вселенной. «Мы называем их константами, но почему? — Спросил Хадсон. — Ничто не бывает таким простым, когда вы увеличиваете масштаб и смотрите на него».