Πιο κοντά στη κατασκευή πυρηνικών ρολογιών

Posted on 22/12/2020

0


«Ακτίνες γάμα» με συχνότητες υπεριώδους φωτός

Από τους 3300 πυρήνες, που είναι γνωστοί μέχρι σήμερα, μαζί με τους περίπου 184.000 ισομερείς πυρήνες τους (ή τις διεγερμένες καταστάσεις τους), ο πυρήνας του θορίου-229 κατέχει μια μοναδική θέση. Διαθέτει την χαμηλότερη διεγερμένη κατάσταση από όλους τους γνωστούς πυρήνες, ίδιας τάξης μεγέθους με τις ενέργειες των διεγερμένων καταστάσεων των ηλεκτρονίων των ατόμων. Δηλαδή για την συγκεκριμένη διέγερση ενός πυρήνα θορίου-229 (229Th) απαιτείται ένα φωτόνιο με ενέργεια μερικών ηλεκτρονιοβόλτ (eV).  Το φωτόνιο αυτό ανήκει στο υπεριώδες φως και όχι στις ακτίνες γάμα όπως συνηθίζεται στους πυρήνες. Έτσι προκύπτει το ισομερές του θορίου που συμβολίζεται με 229mTh. Κατά την αποδιέγερσή του επανεκπέμπεται «υπεριώδες» φωτόνιο ίδιας ενέργειας. Το 229mTh αποτελεί τον καλύτερο (και προς το παρόν τον μόνο) υποψήφιο πυρήνα για την κατασκευή ενός προτύπου πυρηνικής συχνότητας που θα μπορούσε να ανταγωνιστεί τα πιο προηγμένα οπτικά ατομικά ρολόγια. Και τα πυρηνικά ρολόγια θα μπορούσαν να κάνουν τη μέτρηση του χρόνου κατά πολύ πιο ακριβή σε σχέση με τα ατομικά ρολόγια.

Το 1976, οι L. A. Kroger και C. W. Reich [Features of the low-energy level scheme of 229Th as observed in the α-decay of 233U]
μελέτησαν την διάσπαση του ουρανίου-233 που αποσυντίθεται προς θόριο-229 εκπέμποντας ένα σωματίδιο άλφα. Αμέσως μετά ακολουθεί εκπομπή ακτίνων γ με γνωστά χαρακτηριστικά. Ωστόσο, οι Kroger και Reich κατέγραψαν μια ανωμαλία: μια ακτίνα γ που είχε προβλεφθεί από όλες τις πυρηνικές θεωρίες έλειπε από τα καταγραφέντα φάσματα. Η καλύτερη εξήγηση ήταν ότι η ενέργεια της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ήταν πολύ μικρή για να παρατηρηθεί από τους ανιχνευτές. Τις επόμενες δεκαετίες, έγιναν πολλές προσπάθειες για να παρατηρηθεί αυτή η χαμηλής ενέργειας ακτίνα γ, χωρίς όμως επιτυχία, περιορίζοντάς την σε ολοένα και χαμηλότερες ενέργειες.

Σήμερα, γνωρίζουμε ότι η χαμηλότερη διεγερμένη κατάσταση του πυρήνα θορίου-229, είναι και η χαμηλότερη μεταξύ όλων των διεγερμένων καταστάσεων των γνωστών πυρήνων, και η ενέργειά της είναι τάξεις μεγέθους μικρότερη από τις συνήθεις ενέργειες διέγερσης. Κατά συνέπεια, και η ενέργεια του φωτονίου που εκπέμπει κατά την αποδιέγερσή του είναι τόσο μικρή που τοποθετείται στην υπεριώδη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και όχι στην τυπική περιοχή των ακτίνων γ. Αυτό οδηγεί σε μια μοναδική περίπτωση: η αντίθετη διαδικασία της αποδιέγερσης και εκπομπής αυτής της «υπεριώδους ακτινοβολίας γάμα»,
δηλαδή η διέγερση του πυρήνα θορίου είναι δυνατή με την απορρόφηση υπεριώδους φωτός. Κάτι που είναι πρωτοφανές για πυρήνες.

Έτσι, ο πυρήνας του θορίου-229 είναι το μόνο πυρηνικό σύστημα που μπορεί να διεγερθεί με ακτίνες «επιτραπέζιου» λέιζερ. Αυτό ανοίγει αναπάντεχες προοπτικές, συμπεριλαμβανομένης και της κατασκευής ενός «πυρηνικού» ρολογιού, στο οποίο ο χρόνος μετρείται από τις ταλαντώσεις του πυρήνα μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων. Η ακρίβεια ενός τέτοιου ρολογιού προβλέπεται να είναι καλύτερη από εκείνη των ατομικών ρολογιών, τα οποία βασίζονται σε ταλαντώσεις μεταξύ καταστάσεων διέγερσης-αποδιέγερσης ατόμων (μεταβάσεις ηλεκτρονίων μεταξύ ενεργειακών σταθμών), οι οποίες επηρεάζονται πολύ περισσότερο από ανεπιθύμητες εξωτερικές διαταραχές, σε σχέση με τις αντίστοιχες πυρηνικές ταλαντώσεις ενός πυρήνα.

διαβάστε επίσης: Tα πυρηνικά ρολόγια θα αποδείξουν τη θεωρία των χορδών;

Όμως υπήρχε ένα σημαντικό πρόβλημα. Η ενέργεια της διεγερμένης κατάστασης του πυρήνα θόριο-229 δεν ήταν γνωστή με αρκετή ακρίβεια ώστε να γνωρίζουμε ποια ακριβώς συχνότητα υπεριώδους φωτός απαιτείται για να διεγείρει την ταλάντωση.

Μια ομάδα ερευνητών από τη Χαϊδελβέργη, τη Βιέννη, το Μάιντς και το Ντάρμσταντ επανέλαβε το πείραμα φασματοσκοπίας γάμα των Kroger και Reich, χρησιμοποιώντας ένα εξαιρετικά προηγμένο υπερσύγχρονο φασματόμετρο σχεδιασμένο ειδικά για την καταγραφή ακτινοβολίας πολύ χαμηλής ενέργειας .

Η ερευνητική ομάδα των καθηγητών Christian Enss και Dr. Andreas Fleischmann στο Ινστιτούτο Φυσικής Κίρχοφ στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης ανέπτυξε το μαγνητικό μικροκαλορίμετρο με το όνομα maXs30. Αυτός ο ανιχνευτής ψύχεται στους μείον 273 βαθμούς Κελσίου και μετρά την ελάχιστη αύξηση της θερμοκρασίας όταν απορροφάται μια ακτίνα γάμα. Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μεταβολή των μαγνητικών ιδιοτήτων του ανιχνευτή, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα χρησιμοποιώντας μαγνητόμετρα SQUID παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται συνήθως στην τομογραφία μαγνητικού συντονισμού. Ο ανιχνευτής maXs30 έχει πρωτοφανή ενεργειακή ανάλυση. Ωστόσο, χρειάστηκαν περίπου 12 εβδομάδες συνεχών μετρήσεων για να ληφθεί το φάσμα ακτίνων γάμμα με ικανοποιητική ακρίβεια. Η εκτέλεση του πειράματος ήταν εξαντλητική και τούτο διότι μόνο μία στις 10.000 διεργασίες διάσπασης παράγει ένα σήμα που είναι χρήσιμο στον προσδιορισμό της ενέργειας της διεγερμένης κατάστασης.

Ενέργειες διέγερσης ισομερών πυρηνικών καταστάσεων συναρτήσει των αντίστοιχων χρόνων ημιζωής. Οι πυρηνικές διεγέρσεις  (μπλε κύκλοι) αντιστοιχούν σε τυπικές ενέργειες στην περιοχή από μερικά (10) keV μέχρι μερικά MeV. Mόνο δυο πυρηνικές καταστάσεις χαμηλής ενέργειας (<1keV) είναι σήμερα γνωστές: 229mTh (~8,2 eV) με αναμενόμενο εύρος ενέργειας που υποδεικνύει το μπλε ορθογώνιο) και το 235mU (76,7 eV). Λόγω της εξαιρετικά μικρής πιθανότητας κατάληψης της 235mU (χρόνος ημιζωής~1022 s), μόνο το 229mTh πληρεί τις προϋποθέσεις για άμεση διέγερση με λέιζερ και επομένως για την ανάπτυξη ενός πυρηνικού ρολογιού. Στο διάγραμμα περιλαμβάνονται και επιλεγμένες μεταβάσεις ηλεκτρονίων σε ατομικούς φλοιούς (κόκκινοι κύκλοι), οι οποίες χρησιμοποιούνται ήδη σε οπτικά ατομικά ρολόγια.

Οι μετρήσεις έδωσαν το πιο ακριβές φάσμα ακτίνων γάμα μέχρι σήμερα από το ουράνιο-233 έως το θόριο-229. Τελικά η χαμηλότερη διεγερμένη κατάσταση πυρήνα αντιστοιχεί στην τιμή 8,10(17) eV, η οποία εκπέμπει υπεριώδες φως μήκους κύματος 153,1(32) nm. Αυτή η μέτρηση ανοίγει το δρόμο για άμεση διέγερση λέιζερ του ισομερούς θορίου-229.

…. διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: Hunting for the lowest known nuclear-excited state και ΕΔΩ: «Nuclear clocks for testing fundamental physics»

Click to access 2012.09304.pdf

Ετικέτα: