Thorsten Schumm este ceasornicar, însă nu dintr-aceia care stau la masa de lucru acoperită cu arcuri și mecanisme, cu o lupă bine fixată pe un ochi. Nu, el face un ceas la un cu totul alt nivel.
Poate că ceasurile atomice vi se par destul de cunoscute, dar dacă cercetarea lui Schumm decurge conform planului, ar putea duce la crearea unui ceas nuclear. Și departe de simpla indicare a orei, ar putea ajuta la descifrarea unora dintre cele mai bine păzite secrete ale universului.
„Acesta este încă un vis”, a afirmat Schumm, profesor la Universitatea de Tehnologie din Viena. „Nimeni nu știe cum să-l facă.”
Intenția lui este să schimbe acest lucru și, în decursul procesului, să arunce o lumină asupra unora dintre forțele fundamentale ale naturii.
O fracțiune de secundă
Un ceas poate fi bazat pe orice oscilează la intervale regulate și poate fi citit. Primele ceasuri au fost mecanice. În prezent, multe dintre ceasurile de mână folosesc oscilațiile electromecanice ale unui cristal de cuarț.
Însă tehnologia ceasurilor a făcut progrese în anii ‘50, odată cu apariția ceasurilor atomice.
Atomii sunt alcătuiți dintr-un nucleu înconjurat de un nor de electroni care orbitează în jurul lui. Ticăitul unui ceas atomic depinde de „tranzițiile cuantice” ale acestor electroni.
Funcționează astfel: electronii absorb un pachet de energie, care îi mută dintr-o „stare fundamentală” într-o „stare excitată” de energie superioară. Aceștia pot reveni apoi în starea fundamentală, eliberând pachetul de energie în momentul coborârii.
Aceste tranziții energetice apar cu o anumită frecvență care poate fi utilizată pentru cronometrare. Tot acest proces se desfășoară extrem de rapid.
De exemplu, o secundă este definită oficial ca 9 192 631 770 de oscilații ale unui pachet de energie care excită un atom de cesiu-133.
Ceasurile atomice sunt atât de precise deoarece produc un număr enorm de oscilații sau ticăituri. Așadar, dacă mecanismul de citire ratează una sau două dintre ele, nu este o mare problemă, în general, atunci când există peste 9 miliarde pe secundă.
Ceasurile nucleare sunt diferite. Ticăitul nu ar depinde de electroni, ci mai degrabă de vibrațiile nucleului însuși. Acestea sunt de multe ori mai rapide decât ticăiturile tranzițiilor electronilor.
Însă, așa cum spune Schumm, munca pentru punerea în funcțiune a unui ceas nuclear continuă.
O coincidență fericită
Acesta a devenit interesat de rezolvarea acestui mister nuclear, în parte, dintr-o întâmplare fericită.
Se pare că un izotop rar al elementului toriu-229 este de departe cel mai ușor material din care ar putea fi construit un ceas nuclear. Motivul: se crede că are cele mai lente ticăituri ale oricărui nucleu. În plus, institutul unde lucrează Schumm este unul dintre puținele locuri care pot avea acces la acest material.
Toriu-229 nu se găsește în stare naturală. Acesta este produs numai prin dezintegrarea nucleară a anumitor tipuri de uraniu.
Universitatea de Tehnologie din Viena a încheiat un acord cu Laboratorul Național Oakridge din SUA care îi permite să obțină o cantitate de toriu-229 din reziduurile de uraniu utilizat în teste nucleare cu decenii în urmă.
Schumm nu a putut să nu observe că atât prenumele său, cât și numele elementului vin de la miticul zeu nordic Thor.
„Acest lucru m-a stimulat”, a afirmat acesta.
Era și timpul
Începând din 2020, Schumm efectuează cercetări de bază cu privire la crearea unui ceas nuclear prin proiectul ThoriumNuclearClock finanțat de UE, care se derulează până în 2026.
Schumm și colegul său, profesorul Ekkehard Peik de la Institutul Național German de Metrologie din Braunschweig, împart rolul de cercetători principali, alături de Marianna Safronova de la Universitatea Delaware din SUA și Peter Thirolf de la LMU din München, Germania.
Pentru a pune în funcțiune un ceas nuclear, acesta are nevoie de un impuls cu un laser configurat exact la nivelul potrivit de energie. Însă pentru majoritatea nucleelor, frecvența de energie necesară nu este nici pe departe accesibilă cu tehnologia laser actuală.
Toriu-229 este unul dintre cele mai mari nuclee stabile din câte există. S-a crezut că acesta ar putea adopta o stare cu un nivel de energie foarte scăzut pe care laserele actuale l-ar putea atinge – deși nimeni nu înțelege cu adevărat cum și de ce se întâmplă acest lucru.
„În primul rând, nu era clar nici măcar dacă această stare a toriu-229 există”, a spus Schumm.
Acum se știe că există. În 2020, Schumm și colegii săi au publicat o măsurătoare a nivelului de energie al izotopului. De atunci, au continuat să dezvolte aceste cunoștințe.
Toate acestea deschid calea către testarea reală a ceasului. Schumm și colegii săi cercetători au lucrat la construirea unui laser special conceput astfel încât să stimuleze toriul exact la frecvența potrivită.
În scurt timp, aceștia plănuiesc pentru prima dată îndreptarea laserului către niște atomi de toriu captați, în încercarea de a-i face să pulseze.
„Suntem foarte încântați de rezultatul acestui experiment, deoarece nimeni nu a mai făcut vreodată acest lucru”, a afirmat Peik. „Noi și alții am mai încercat să facem experimente conexe cu toriu-229 în trecut, însă fără succes. De data aceasta, simțim că suntem mult mai bine pregătiți.”
Limpede ca cristalul
Pentru aceste experimente, atomii de toriu vor fi reținuți în capcane atomice, un proces foarte pretențios. În timp ce proiectul ThoriumNuclearClock era deja în derulare, Schumm a coordonat și un proiect de doi ani finanțat de UE, intitulat CRYSTALCLOCK, având ca obiectiv dezvoltarea unui design și a unui mecanism de citire mai simple pentru un ceas nuclear.
Ideea proiectului a fost producerea unui cristal format din fluorură de calciu și dispersarea de atomi de toriu-229 distribuiți prin material. Se obține astfel un material solid, cu care se poate lucra mult mai ușor decât cu capcanele atomice.
Schumm și colegii săi, inclusiv Tomas Sikorsky, au publicat în 2022 o lucrare în care demonstrează că aceste cristale cu toriu ar putea fi produse. Următorul pas va fi să înceapă să înțeleagă modul în care „ticăitul” acestor cristale ar putea fi citit.
Schumm afirmă că o tehnică denumită tomografie nucleară ar putea fi adaptată acestui scop și că întregul proces ar fi mult mai ușor decât folosirea de atomi de toriu captați.
Forțele naturii
Toate aceste eforturi merită nu pentru că este nevoie de mai multe ceasuri precise, ci mai degrabă deoarece poate fi pusă la încercare înțelegerea fundamentală de către omenire a modului în care funcționează realitatea.
Cele mai bune teorii ale fizicii explică faptul că universul are patru forțe fundamentale: gravitația, electromagnetismul, forța nucleară slabă și forța nucleară tare. Puterea acestor forțe este cunoscută, iar valorile lor sunt denumite adesea „constante” fundamentale.
Nu se știe însă dacă puterea acestor forțe a fost sau va fi vreodată aceeași. Există indicii că forțele au fost mult mai puternice în trecutul îndepărtat, în apropierea Big Bangului, și că ar putea chiar înregistra în continuare modificări minuscule.
Ceasurile atomice și nucleare ar putea facilita testarea acestor indicii. Ticăitul unui ceas atomic este afectat predominant de puterea electromagnetismului, deci dacă viteza ticăitului ar începe să se schimbe, acest lucru ar sugera o abatere a forței subiacente.
Electromagnetismul este însă foarte slab, deci este posibil ca ceasurile atomice, în pofida preciziei lor impresionante, să nu poată sesiza nicio modificare a sa.
În schimb, ticăiturile ceasurilor nucleare sunt influențate de forța tare. Așadar, dacă și când ar fi creat un ceas nuclear funcțional, acesta ar putea fi utilizat pentru a monitoriza existența unor modificări ale forței tari de-a lungul unor perioade de timp.
„Trecerea de la atomi la nuclee nu înseamnă obținerea unui ceas mai bun”, a spus Schumm. "De fapt, probabil că primul ceas nuclear nu va fi la fel de bun ca cele mai bune ceasuri atomice. Ideea este mai mult de a avea o tehnologie cu totul nouă care, practic, ar putea testa forța tare”.
Articol de Caleb Davies
Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin Consiliul European pentru Cercetare al UE și prin acțiunile Marie Skłodowska-Curie (MSCA). Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.