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May 30, 2023

核時計遷移による光子がついに観測される

Prima misurazione diretta della transizione nucleare del torio-229

「核時計」の基礎を形成する可能性があるトリウム229の核遷移について、初めて直接測定が行われた。 CERNで行われたこの研究は、遷移の存在は確認されたものの、結果的に放出された光子は検出されなかった2016年の実験に続いている。 動作する時計が製造されるまでには多くの作業が残されているが、このような装置が可能であることが証明されれば、基礎物理学の研究にとって重要なツールとなる可能性がある。

現在、最も正確な時計は、ストロンチウムやイッテルビウムなど、光学的に捕捉された原子の集合体に基づいています。 非常に安定したレーザーは、特定の原子遷移の周波数との共鳴に固定されており、周波数がはるかに高いため精度が高くなりますが、レーザー発振は事実上振り子のように動作します。 これらの時計は 1020 年に 1 分の 1 以内で安定することができます。これは、宇宙の年齢に相当する 137 億年の稼働後、わずか 10 ミリ秒ずれることを意味します。

原子時計は優れた計時装置であるだけでなく、物理学者はアインシュタインの一般相対性理論が光トラップに閉じ込められた原子にどのように適用されるかなど、さまざまな基本現象を研究するために原子時計を使用してきました。 より高い精度とより深い洞察を求めて、2003 年にドイツのブラウンシュヴァイクにある物理技術連邦のエッケハルト・ペイクとクリスチャン・タムは、原子の電子エネルギーレベルではなく核エネルギーレベルを調べることによって時計を生成できることを提案しました。

このような核時計は、外部ノイズから非常によく隔離されます。 「原子は[直径]10～10メートル程度、原子核は10～14メートルか10～15メートル程度です」と、この最新の研究に携わったベルギーのルーヴェン大学のサンドロ・クレーマー氏は説明する。 「核は環境にとってはるかに小さなアンテナであるため、シフトする傾向ははるかに低いです。」

したがって、核時計は、電磁相互作用の強さを定量化する微細構造定数などの基本定数の値の仮説上の非常に小さな時間的変動を調べる優れたプローブとなる可能性があります。 そのような変化は、標準模型を超えた物理学を指すことになります。 さらに、核の結合は対応する原子よりも強いため、エネルギー準位間のシフトはエネルギーが高く、高周波レーザーと共鳴するため、より小さな変化が検出可能になります。

ただし、ほとんどの核遷移は今日のレーザーで生成できるよりもはるかに高い周波数で発生するため、これは両刃の剣です。 しかし、トリウム 229 は基底状態より約 8 eV 高い準安定励起状態、つまり真空紫外域にある遷移を持っています。

クレーマー氏は、この状態を励起するレーザーの構築はほぼ可能であると説明し、「今日私たちが知っている約 3000 個の放射性核のうち、レーザー励起に適した状態を持っていることがわかっているのはトリウムだけです」と説明しています。

ただし、まず研究者は、遷移の正確な頻度を知る必要があります。 実際、この崩壊は理論的に長い間予測されていたが、放出された光子を検出する試みは失敗に終わった。 しかし、2016年にミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学の研究者らは、核崩壊のエネルギーが原子をイオン化する内部変換と呼ばれるプロセスにおける電子の放出を測定することによって、その存在を間接的に確認した。

物理学者が核最低励起状態のエネルギーを測定

今回、Kraemerらは、励起されたトリウム229イオンを研究することにより、放出された真空紫外光子の初めての直接検出を行った。 クレイマー氏によると、根底にあるアイデアは新しいものではないが、研究者らはこれまでに、励起されたトリウム229に崩壊する可能性のあるウラン233を結晶に注入することでこれを試みたことがある。 問題は、これによって結晶内に4MeVを超えるエネルギーが放出されることであり、これは「癌を殺すには良いが、私たちにとっては非常に悪い」ものであり、結晶にダメージを与え、その光学特性を妨げる、とクレーマー氏は言う。

したがって、新しい研究では、研究者らはCERNのISOLDE施設を使用して、フッ化マグネシウムとフッ化カルシウムの結晶にアクチニウム229イオンを注入した。 これらはβ崩壊によって準安定励起トリウム 229 原子核に崩壊する可能性があり、結晶内に放出されるエネルギーは 4 桁も少なくなります。 したがって、研究者らは光子を検出し、遷移エネルギーを測定することができた。 最終的な精度は、時計の製造に必要な不確実性にはまだ大きく及ばず、研究者らは現在、レーザー物理学者と協力してこれを改善している。

米国国立標準技術研究所のカイル・ベロイ氏は、この測定結果に感銘を受けました。 「このトリウム 229 システムには、核時計として非常に大きな可能性があり、最終的には基礎物理学のテストを行う可能性がさらに高まります」と彼は言います。 「この[研究]では、彼らは励起状態から基底状態に放出される光子を観察しており、最終的にここのコミュニティの目標はその逆を行うことです。原子核が吸収する狭い周波数帯域は、ミリヘルツのオーダーであるのに対し、私たちがよく知っているのは 1012 Hz のオーダーであるため、これは干し草の山に針を刺すようなもので、本質的に彼らがやったことは干し草の山のサイズを 7 分の 1 に減らすことです。これは、移行を促進しようとしている人にとっては大きな前進です。」

この研究は『Nature』誌に記載されています。