Свершилось: физики запустили ядерные часы — и заодно создали первый реальный инструмент для охоты за тёмной материей

Физики впервые запустили ядерные часы. Новый прибор отсчитывает время не по поведению электронов вокруг атома, как обычные атомные часы, а по переходам внутри атомного ядра. Для метрологии это редкий момент: идея больше двадцати лет оставалась красивой схемой на бумаге, а теперь две независимые группы в Европе и Китае показали работающие установки на тории-229.

Любые часы нуждаются в стабильном повторяющемся процессе. В маятниковых часах эту роль выполняет раскачивание маятника. В современных атомных часах опорой служит частота излучения, при которой электроны в атоме переходят между энергетическими уровнями. Физики подбирают лазер или микроволновое излучение с нужной частотой, заставляют атом отвечать на сигнал и получают очень точную меру времени.

Ядерные часы переносят опору глубже: не к электронам, а к протонам и нейтронам в ядре. Вместо электронного перехода используется ядерный переход, при котором само ядро получает энергию и переходит в возбуждённое состояние. Почти у всех элементов для такой перестройки нужна огромная энергия, обычно недоступная обычному лазеру.

Торий-229 оказался исключением. У этого изотопа есть необычно низкоэнергетический ядерный переход: два уровня энергии расположены настолько близко, что ядро можно возбудить ультрафиолетовым лазерным излучением.

Путь к работающему прибору занял десятилетия. Физики давно считали торий-229 подходящим кандидатом, но сначала требовалось точно найти сам переход, научиться возбуждать ядра и получить из этого стабильный сигнал времени. В 2024 году исследователи вызвали ядерный переход в миллиметровом кристалле фторида кальция, куда были внедрены триллионы атомов тория-229. Позднее удалось уточнить частоту, при которой происходит этот переход.

Для настоящих часов одного возбуждения ядра мало. Лазер должен не просто попасть в нужную область спектра, а постоянно удерживаться на частоте ядерного перехода. Обе группы построили систему обратной связи: прибор измеряет, насколько сильно кристалл с торием поглощает ультрафиолетовый свет, и по изменению сигнала корректирует частоту лазера.

Когда лазер попадает в нужный диапазон, ядра тория-229 поглощают часть фотонов, и проходящий через кристалл световой сигнал слабеет. Если частота лазера сдвигается, поглощение уменьшается, сигнал снова растёт, а электроника видит отклонение и возвращает лазер к резонансу. Так ядерный переход задаёт опорную частоту и не даёт часам дрейфовать.

В европейской установке использовали миллиметровый кристалл фторида кальция с внедрёнными ядрами тория-229 при комнатной температуре. Лазер стабилизировали по ядерному переходу на длине волны 148 нм, а частоту сверяли с одними из самых точных атомных часов на одиночном ионе иттербия. Такая схема позволила не просто наблюдать переход, а замкнуть контур управления: ядерный сигнал сам удерживал лазер на нужной частоте.

Китайская группа собрала установку с другой конфигурацией. В работе использовали непрерывный ультрафиолетовый лазер на длине волны 148,4 нм и кристалл фторида кальция с торием-229. Сигнал считывали по изменению проходящего ультрафиолетового излучения, а частоту лазера фиксировали на резонансе ядерного перехода в твёрдом теле.

Подходы различались в деталях. Китайская схема опиралась на более мощный ультрафиолетовый источник и кристалл с меньшей концентрацией тория-229. Европейская группа использовала другую комбинацию лазерной системы, кристалла и считывания. В обоих случаях физики получили работающие часы, где ядерный переход управлял частотой лазера.

Первые результаты пока не обходят лучшие оптические атомные часы. Новые ядерные установки за день уходят от идеального хода примерно на величину, которая соответствует одной секунде за три миллиона лет. Лучшие оптические атомные часы держат уровень порядка одной секунды за десятки миллиардов лет. Нынешний результат важен не как немедленная замена действующим эталонам времени, а как доказательство, что ядерный принцип заработал в реальном приборе.

Кристаллический вариант даёт несколько практических преимуществ. Ядро гораздо слабее реагирует на внешние электрические и магнитные поля, чем электронная оболочка атома, а твёрдая среда дополнительно защищает торий-229 от помех. Кристалл может содержать огромное число одинаковых ядер, что усиливает сигнал и упрощает считывание. При этом установка способна работать без экстремального охлаждения, поэтому такие часы могут стать более компактными и прочными приборами для навигации, синхронизации систем связи и других задач за пределами лаборатории.

Удобство кристалла имеет цену. Твёрдая среда слегка меняет условия вокруг ядер и может сдвигать частоту перехода. Для рекордной точности физикам придётся аккуратно учитывать температуру, структуру кристалла и другие факторы, которые влияют на резонанс.

Другой путь к максимальной точности требует изолировать торий-229 от кристалла и удерживать ядра в более чистых условиях. Такая установка сложнее технически, зато в теории способна превзойти лучшие атомные часы. Причина в высокой частоте ультрафиолетового ядерного перехода: чем выше частота опорного процесса, тем мельче можно делить время.

Ядерные часы интересны физикам не только как новый хронометр. Такой прибор даёт прямой способ следить за силами внутри ядра. Теоретические модели допускают, что тёмная материя может слегка менять фундаментальные взаимодействия между частицами в ядре. При таком изменении частота ядерного перехода должна немного сдвинуться. Работающие часы превращают торий-229 в постоянный датчик для поиска слабых эффектов, которые раньше было гораздо труднее отделить от шума.

Европейская группа уже использовала свою установку для проверки моделей ультралёгкой тёмной материи. Исследователи искали периодические колебания и медленный дрейф энергии ядерного перехода на промежутках от 20 секунд до одного дня. По отдельным типам взаимодействия тёмной материи с фотонами, сильным ядерным взаимодействием и кварками такие измерения уже сопоставимы с лучшими атомными часами или дают более жёсткие ограничения, чем прежние эксперименты.

Будущие проверки фундаментальной физики, скорее всего, будут опираться на несколько типов часов сразу. Разные теории предсказывают разные наблюдаемые эффекты: одни лучше проявляются в атомных переходах, другие - в ядерных, третьи требуют сравнения нескольких эталонов времени.

Первый запуск ядерных часов не означает, что завтра изменится определение секунды. Действующие атомные эталоны остаются точнее и лучше отработаны. Но у тория-229 появился главный недостающий элемент: ядерный переход теперь не просто наблюдают, а используют для стабилизации частоты лазера. С этого момента ядерные часы можно улучшать как полноценный измерительный прибор, а не как далёкую физическую идею.