На пути к самым точным часам

Физики СПбГУ предложили метод определения времени жизни низкоэнергетического изомера тория-229, квантовый переход из которого в основное состояние ядра планируется использовать для создания самых точных часов. Результаты этой работы были опубликованы в одном из престижных в области физики журналов — Physical Review Letters.

Создание наиболее точных часов имеет важнейшее значение как для фундаментальной физики, так и для различных практических приложений, таких, например, как навигационные системы спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo). Современные атомные часы, использующие электронный переход в атоме, уже достигли фантастической точности — в отдельных экспериментальных образцах ошибка составляет всего лишь десятые доли секунды за время существования Вселенной. Тем не менее, ученые во всем мире продолжают активно работать над повышением этой точности. Такие сверхточные часы могли бы способствовать, например, обнаружению временной вариации констант электромагнитного и сильного взаимодействий, поиску возможного нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и решению загадки темной материи. В настоящее время очень многообещающим подходом к созданию сверхточных часов считается концепция, использующая разность энергий квантовых состояний атомных ядер тория с массовым числом A=229 (торий-229). С одной стороны, уникально малая по ядерным масштабам энергия этого перехода (всего лишь несколько эВ) делает его, в принципе, доступным для управления лазером, а, с другой стороны — ядерные переходы гораздо менее чувствительны к внешним возмущениям, чем атомные. Все это позволяет рассматривать торий-229 в качестве идеального кандидата на новый метрологический стандарт частоты с наилучшими свойствами. Однако, практическая реализация этого и других отмеченных выше применений требует очень точного знания энергии ядерного возбуждения и времени его жизни.

Как рассказал профессор СПбГУ Владимир Шабаев, несмотря на то, что о наличии низкоэнергетического состояния в тории-229 известно достаточно давно, настоящий прорыв в этом вопросе достигнут лишь в последнее время. Недавние измерения показали, что энергия интересующего ученых состояния составляет около 8 эВ. Кроме того, получены экспериментальные значения ядерных магнитных моментов основного и изомерного состояний. Однако до сих пор нет каких-либо достаточно надежных экспериментальных данных о времени жизни этого изомера, которое в голом ядре практически полностью определяется вероятностью соответствующего магнитного дипольного перехода. Знание этой величины является крайне важным при планировании дальнейших экспериментов, нацеленных как на более точное определение энергии перехода, так и на определение других ключевых свойств рассматриваемого изомера. Решению данной проблемы и посвящена только что опубликованная совместная работа ученых СПбГУ и их немецких коллег.

«Нам удалось показать, что интересующее нас время жизни ядерного изомера тория может быть определено путем точного измерения g фактора основного состояния водородоподобного или литиеподобного иона тория-229, — пояснил Владимир Моисеевич. — Точность такого определения времени жизни должна составлять несколько процентов. Предлагаемый способ является вполне реалистичным, поскольку эксперименты по измерению g факторов тяжелых ионов с малым количеством электронов ведутся в настоящее время в Институте ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге и в самое ближайшее время станут также возможными в рамках проекта HITRAP в Институте физики тяжелых ионов (GSI/FAIR) в Дармштадте. При этом экспериментальная точность проводящихся в настоящее время измерений g факторов многозарядных ионов примерно на три порядка превосходит точность, которая требуется для определения времени жизни изомера предложенным в нашей работе методом. Это дает очень хорошие шансы на то, что интересующая нас величина будет определена в самое ближайшее время. Тем самым будет сделан еще один важный шаг на пути к самым точным часам.»

Работа выполнена при ведущей роли научного коллектива кафедры квантовой механики СПбГУ и поддержана грантами РФФИ и госкорпорации «Росатом». В исследовании также приняли участие немецкие ученые, сотрудничество с которыми активно ведется около 25 лет в рамках различных проектов: РФФИ—ДФГ, СПбГУ—ДФГ, ДААД, G-RISC. В результате этого сотрудничества опубликовано более 100 совместных статей, многие студенты и аспиранты СПбГУ посетили Технический университет Дрездена и Институт физики тяжелых ионов (GSI) в Дармштадте.

Подробнее с результатами исследования можно познакомиться в статье: V. M. Shabaev, D. A. Glazov, A. M. Ryzhkov, C. Brandau, G. Plunien, W. Quint, A. M. Volchkova, and D. V. Zinenko Ground-State g Factor of Highly Charged 229Th Ions: An Access to the M1 Transition Probability between the Isomeric and Ground Nuclear States // Physical Review Letters. 2022. Vol. 128. No 043001.

См. также