Переход, который ждали 50 лет: физики раскрывают тайны времени

В мае 2024 года произошло важное событие в мире физики: аспирант Чуанькун Чжан из исследовательского института JILA в Боулдере, штат Колорадо, зафиксировал редкий и долгожданный сигнал — ядерный переход в тории-229, известный как переход « ядерных часов ». Этот переход, наблюдавшийся в экспериментальных условиях, стал результатом десятилетий исследований и поисков точной лазерной частоты для его запуска. Наблюдение сигнала, после многочисленных проверок, было подтверждено командой учёных под руководством Джуна Е — разработчика самой точной атомной системы для измерения времени. Эта работа, опубликованная 4 сентября 2024 года в журнале *Nature*, завершила долгий поиск в области ядерных часов и стала третьим подобным наблюдением, сделанным всего за несколько месяцев.

Измерение команды JILA превосходит предыдущие результаты по точности в миллионы раз. В предыдущие месяцы аналогичные исследования были проведены учёными из Германии и Калифорнии, но новый эксперимент позволил добиться прорыва благодаря наилучшей калибровке лазера, необходимой для индукции этого перехода. Важно отметить, что этот успех открывает новые возможности в физике: измерение ядерного перехода в тории-229 может стать основой для изучения того, меняются ли фундаментальные законы физики со временем.

Ядро тория-229 обладает уникальными характеристиками, которые заинтересовали физиков ещё в 1976 году , когда этот изотоп был впервые изучен в США, как побочный продукт исследований ядерного оружия времён Холодной войны. Ядра атомов обычно требуют большой энергии для возбуждения, но у тория-229 был обнаружен удивительно низкий энергетический порог. Это произошло из-за почти полной компенсации двух фундаментальных сил: электромагнитной и сильной ядерной. Такой баланс сделал переход тория-229 особенно чувствительным к малейшим изменениям в этих силах, что позволило выдвинуть гипотезу, что этот переход можно использовать для тестирования стабильности физических констант.

Этот переход, также называемый «ядерными часами», может стать новым стандартом для измерения времени, превзойдя по точности существующие атомные часы. Атомные часы, такие как те, что используются на основе атома цезия, фиксируют время, измеряя частоту перехода электронов между состояниями в атоме. Ядерные часы используют аналогичный принцип, но с переходами внутри ядра атома, что даёт значительно более высокую точность, поскольку ядро атома защищено от внешних влияний его электронным облаком.

Наблюдение сигнала тория-229 открывает путь к исследованию таких фундаментальных вопросов, как возможные изменения физических констант, таких как скорость света, постоянная Планка и другие, которые считаются неизменными на протяжении всей истории Вселенной. Согласно некоторым теоретическим моделям, в том числе струнной теории, эти константы могут не быть абсолютно постоянными, а варьироваться в зависимости от времени или пространства. Например, одна из теорий тёмной материи предполагает, что плотность частиц, называемых аксионами, могла бы вызвать колебания в силе фундаментальных взаимодействий, что могло бы отразиться на тонкой настройке ядерных состояний.

Первые намёки на необычные свойства тория-229 появились в 1976 году, когда учёные Ларри Крогер и Чарльз Рейх из Национальной лаборатории Айдахо изучали радиацию, исходящую от отходов уранового производства. Они обнаружили, что возбуждение ядра тория-229 требует энергии в 10 000 раз меньше, чем для типичного ядерного перехода. В 1990 году Рейх пересмотрел свои результаты и обнаружил , что энергия этого перехода ещё меньше, чем первоначально считалось, что сделало его ещё более интересным для дальнейших исследований. Это открытие стало поворотным моментом, так как впервые появилась возможность использовать обычные ультрафиолетовые лазеры для контроля над этим процессом.

В начале 2000-х годов физики предложили использовать торий-229 для создания новых ультраточных часов. Однако, чтобы сделать это, нужно было точно определить энергию, необходимую для возбуждения ядерного перехода. Исследователи столкнулись с серьёзной проблемой: ранее известная оценка энергии перехода была слишком неточной, и тысячи различных лазерных длин волн приходилось проверять методом проб и ошибок.

Ситуация изменилась в 2023 году, когда команда учёных из CERN смогла провести измерение, сужающее диапазон возможных длин волн лазера, что значительно ускорило поиск. В апреле 2024 года европейская группа впервые сообщила о возбуждении перехода с помощью лазера, а летом аналогичный результат был достигнут в Калифорнии.

Группа Джуна Е из JILA также активно участвовала в гонке, разработав собственный лазер для точного возбуждения тория-229. Их система позволила протестировать несколько длин волн одновременно, что и привело к успешному наблюдению перехода с беспрецедентной точностью.

Этот прорыв имеет далеко идущие последствия. В будущем учёные смогут использовать ядерные часы для более точных тестов фундаментальных констант. Хотя текущая точность измерений перехода составляет одну часть на триллион, возможные изменения физических констант могут быть настолько малы, что их обнаружение потребует точности до одной части на десять триллионов. Это может занять годы, но успех группы из JILA стал первым шагом на пути к новым открытиям в физике.

В итоге, исследования перехода тория-229 могут не только переписать стандарты времени, но и привести к фундаментальным изменениям в понимании устройства Вселенной.