Prvi nuklearni sat korišten u potrazi za tamnom materijom u svemiru

Naučnici su napravili novi korak u razvoju optičkog nuklearnog sata, uređaja koji je prvi put predstavljen 2024. godine u saradnji istraživača sa Tehničkog univerziteta u Beču (TU Wien) i američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST). Gotovo dvije godine kasnije, ovaj prototip više nije samo instrument za mjerenje vremena, već se koristi i za istraživanje fenomena koji izlaze izvan okvira poznate fizike.

Prema riječima istraživača, prvi prototip pokazao je da se torij može koristiti kao izuzetno precizan vremenski standard, a dalji razvoj sada je usmjeren na tehnička unapređenja.

Savremeni atomski satovi funkcionišu pomoću lasera i atoma. Laser se podešava na rezonantnu frekvenciju elektrona u atomu, odnosno na frekvenciju pri kojoj elektroni apsorbuju energiju i prelaze između energetskih nivoa. Ti prelazi omogućavaju precizno mjerenje vremena.

Kod klasičnih atomskih satova koriste se atomi cezija i mikrotalasni laseri, dok moderniji optički satovi koriste kraće talasne dužine i druge elemente radi veće preciznosti. Ipak, mjerenje se i dalje zasniva na ponašanju elektrona.

Nuklearni sat zasnovan na toriju-229 razlikuje se po tome što ne koristi prelaze elektrona, već rezonantnu frekvenciju jezgra atoma. Takvi nuklearni prelazi stabilniji su od elektronskih, što omogućava znatno veću preciznost mjerenja.

Razlog zbog kojeg se nuklearni satovi ranije nisu široko koristili jeste činjenica da većina nuklearnih prelaza zahtijeva veoma visoke energije i rendgenske lasere. Torij-229 predstavlja izuzetak jer ima najniži poznati energetski prelaz u atomskom jezgru, pa ga je moguće pobuditi ultraljubičastom svjetlošću.

Iako su postojeći optički atomski satovi još precizniji, novi sistem postepeno smanjuje zaostatak. Sat zasnovan na toriju gubi svega nekoliko desetina sekundi tokom milijarde godina. Dodatna prednost je što ne mora raditi u vakuumu niti na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli. Torij je ugrađen u kristal kalcijum-fluorida i koristi se na sobnoj temperaturi.

Pošto je manje osjetljiv na elektromagnetne utjecaje koji djeluju na elektrone, ovaj prototip se može koristiti za ispitivanje fizičkih pojava koje bi mogle utjecati na druge vrste satova, uključujući i gravitaciju.

Istraživači su upravo zbog toga novi sat iskoristili za testiranje modela ultralahke tamne materije. Tamna materija je hipotetička supstanca za koju se pretpostavlja da postoji u svemiru, ali ne emituje svjetlost i ne može se direktno posmatrati. Prema pojedinim teorijama, mogla bi biti sastavljena od čestica izuzetno male mase koje bi izazivale promjene u energiji nuklearnih prelaza.

Tim u kojem su učestvovali i stručnjaci iz njemačkog nacionalnog instituta za metrologiju PTB uspio je ograničiti pojedine modele tamne materije preciznošću usporedivom s optičkim satovima, iako za nešto drugačiji teorijski model.

Pored toga, nuklearni sat omogućio je preciznija mjerenja povezanosti kvarkova, osnovnih sastojaka protona i neutrona, te proučavanje jake nuklearne sile koja drži jezgro atoma na okupu.

Rezultati istraživanja objavljeni su u radu dostupnom na platformi ArXiv i još uvijek čekaju proces stručne recenzije.