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Oct 02, 2023

ドイツの研究者が核時計の製造に一歩近づく

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ドイツのさまざまな研究機関の研究者間の協力により、史上初の核時計の構築に一歩近づきました。 欧州原子核研究機構 (CERN) で行われた実験で、研究者らはトリウム 229 核異性体の放射減衰を測定しました。これは、この偉業を達成した最初の例であり、核時計を構築するための重要な要素です。

長年にわたり、原子時計は私たちの時計の精度の基準でした。 最高の光学原子時計の精度は 10 ～ 18 で、これは 300 億年に 1 秒の誤差に相当します。

核光時計は少なくとも 10 倍の精度が期待されています。 この理論が最初に提案されたのは 20 年以上前ですが、研究者たちは近年いくつかの主要な発見を経て、その方向にある程度の進歩を遂げただけです。

ヨハネス・グーテンベルク大学マインツのプレスリリースによると、科学界に大きな波紋を巻き起こした発見は、トリウム229異性体の直接検出でした。 異性体とは、原子核がより高いエネルギー状態にある原子です。 これは、特定の周波数の光を使用して実現できます。

原子時計の場合、研究者は原子の遷移を引き起こすために使用される光の周波数を時間の尺度として使用します。 一方、核時計の場合は、原子核を励起する光の周波数だけが使われます。 原子核はよりコンパクトな構造であり、電磁モーメントが小さいため、外部干渉の影響を受けにくくなります。

アレクサンダルナコフスキー/iStock

異性体が基底状態に戻ると、科学者が放射崩壊と呼ぶプロセスである光子を放出しますが、これは測定にとって極めて重要です。 しかし、研究者たちはこれまで崩壊を正確に測定できていませんでした。 このハードルは最近、ドイツのさまざまな研究機関の研究者による共同の取り組みによって克服されました。

実験はCERNのISOLDE施設で行われ、アクチニウム229原子がフッ化カルシウムまたはフッ化マグネシウムの結晶に埋め込まれ、トリウム229に崩壊するまで放置された。 研究チームは、紫外線波長148nm、遷移エネルギー8.338電子ボルトの光子を測定した。

これは異性体のエネルギーを最も正確に測定したもので、以前の結果と比較して精度が 7 倍向上したと研究者らは主張しています。 核時計を構築するにはさらに多くの作業を行う必要がありますが、研究ではトリウム 229 が核時計を構築するための最良の方法であることが示されています。

研究結果は雑誌「Nature」に掲載された。

研究概要:

放射性核種トリウム 229 は、核状態の直接レーザー操作を可能にする例外的に低い励起エネルギーを持つ異性体を特徴としています。 次世代の光時計に使用される有力な候補の 1 つです。 この核時計は、基礎物理学の正確なテストのためのユニークなツールとなるでしょう。 このような異常な核状態の存在に関する間接的な実験的証拠はかなり古いものですが、異性体の電子変換減衰の観察によって存在の証明が得られたのはつい最近です。 異性体の励起エネルギー、核スピンと電磁モーメント、電子変換寿命、異性体の精製エネルギーが測定されています。 最近の進歩にもかかわらず、核時計開発の重要な要素である異性体の放射減衰は観察されなかった。 今回我々は、トリウム 229 (229mTh) におけるこの低エネルギー異性体の放射崩壊の検出を報告します。 CERN の ISOLDE 施設でバンドギャップの大きな CaF2 および MgF2 結晶に組み込まれた 229mTh の真空紫外分光法を実行すると、最近の測定結果と一致して 8.338(24) eV の光子が測定され、不確かさは 7 分の 1 に減少します。 MgF2 に埋め込まれた 229mTh の半減期は 670(102) s であると測定されます。 大きなバンドギャップ結晶における放射減衰の観察は、将来の核時計の設計に重要な影響を及ぼし、エネルギーの不確実性が向上するため、原子核の直接レーザー励起の探索が容易になります。