Durante casi 50 años, los físicos han soñado con los secretos que podrían descubrir elevando el estado energético del núcleo de un átomo mediante un láser. Este descubrimiento sustituiría los relojes atómicos actuales por un reloj nuclear que sería el reloj más preciso que jamás haya existido, permitiendo avances como la navegación y las comunicaciones en el espacio profundo. También permitiría a los científicos medir con precisión si las constantes fundamentales de la naturaleza son realmente constantes o si lo parecen simplemente porque todavía no las hemos medido con suficiente precisión.

Ahora, un proyecto liderado por Eric Hudson, profesor de física y astronomía en UCLA, ha logrado lo que parecía imposible. Enterrando un átomo de torio en un cristal muy transparente y bombardeándolo con láseres, el grupo de Hudson pudo hacer que el núcleo del átomo de torio absorbiera y emitiera fotones como los electrones de un átomo. Esta asombrosa hazaña es descrito en un artículo publicado en la revista Cartas de examen físico.

Esto significa que las mediciones del tiempo, la gravedad y otros campos que se realizan actualmente utilizando electrones atómicos se pueden realizar con mucha mayor precisión. La razón es que los electrones atómicos están influenciados por muchos factores de su entorno, lo que afecta la forma en que absorben y emiten fotones y limita su precisión. Los neutrones y los protones, por otro lado, están unidos y altamente concentrados en el núcleo y experimentan menos perturbaciones ambientales.

Con esta nueva tecnología, los científicos podrían determinar si varían las constantes fundamentales, como la constante de estructura fina que determina la intensidad de la fuerza que mantiene unidos a los átomos. Las pistas de la astronomía sugieren que la constante de estructura fina puede no ser la misma en todas partes del universo o en cualquier momento. La medición precisa de la constante de estructura fina utilizando el reloj nuclear podría reescribir por completo algunas de estas leyes más fundamentales de la naturaleza.

“Las fuerzas nucleares son tan fuertes que significan que la energía en el núcleo es un millón de veces más fuerte que la que se ve en los electrones, lo que significa que si las constantes fundamentales de la naturaleza se desvían, los cambios resultantes en el núcleo son mucho mayores y más notables. , haciendo que las mediciones sean un orden de magnitud más sensibles”, dijo Hudson.

“El uso de un reloj nuclear para estas mediciones proporcionará la prueba de 'variación constante' más sensible hasta la fecha y es probable que ningún experimento en los próximos 100 años pueda rivalizar con él. »

El grupo de Hudson fue el primero en proponer una serie de experimentos destinados a estimular núcleos de torio-229 dopados para convertirlos en cristales mediante un láser. Ha pasado los últimos 15 años trabajando para lograr los resultados publicados recientemente. Lograr que los neutrones del núcleo atómico reaccionen a la luz láser es un desafío porque están rodeados de electrones, que responden fácilmente a la luz y pueden reducir la cantidad de fotones capaces de llegar al núcleo. Una partícula que ha aumentado su nivel de energía, por ejemplo al absorber un fotón, se dice que está en un estado «excitado».

El equipo de UCLA integró átomos de torio-229 en un cristal transparente rico en flúor. El flúor puede formar enlaces particularmente fuertes con otros átomos, suspendiéndolos y exponiendo el núcleo como una mosca en una telaraña. Los electrones estaban tan fuertemente unidos al flúor que la cantidad de energía necesaria para excitarlos era muy alta, permitiendo que la luz de menor energía llegara al núcleo. Los núcleos de torio pudieron entonces absorber estos fotones y reemitirlos, lo que permitió detectar y medir la excitación de los núcleos.

Al cambiar la energía de los fotones y monitorear la velocidad a la que se excitan los núcleos, el equipo pudo medir la energía del estado nuclear excitado.

«Nunca hemos podido provocar tales transiciones nucleares con un láser», dijo Hudson. “Si sostienes el torio en su lugar con un cristal transparente, puedes hablarle con luz. »

Según Hudson, esta nueva tecnología podría utilizarse en cualquier lugar donde se requiera una precisión extrema en detección, comunicaciones y navegación. Los relojes atómicos basados ​​en electrones existentes son dispositivos del tamaño de una habitación con cámaras de vacío para atrapar átomos y equipos asociados para enfriarlos. Un reloj nuclear basado en torio sería mucho más pequeño, más robusto, más portátil y más preciso.

“A nadie le entusiasman los relojes porque no nos gusta la idea de que el tiempo sea limitado”, afirmó. “Pero utilizamos relojes atómicos todo el tiempo, todos los días, por ejemplo, en las tecnologías que hacen funcionar nuestros teléfonos móviles y GPS. »

Más allá de las aplicaciones comerciales, la nueva espectroscopia nuclear podría levantar el velo sobre algunos de los mayores misterios del universo. La medición sensible del núcleo de un átomo abre nuevas perspectivas para comprender sus propiedades y sus interacciones con la energía y el medio ambiente. Esto permitirá a los científicos poner a prueba algunas de sus ideas más fundamentales sobre la materia, la energía y las leyes del espacio y el tiempo.

«Los humanos, como la mayoría de la vida en la Tierra, existen en escalas que son demasiado pequeñas o demasiado grandes para observar lo que realmente podría estar sucediendo en el universo», dijo Hudson. “Lo que podemos observar desde nuestra perspectiva limitada es un conglomerado de efectos en diferentes escalas de tamaño, tiempo y energía, y las constantes de la naturaleza que hemos formulado parecen mantenerse en este nivel. »

“Pero si pudiéramos observar con mayor precisión, estas constantes podrían variar. Nuestro trabajo ha dado un gran paso hacia estas medidas y, de una forma u otra, estoy seguro de que nos sorprenderá lo que aprendamos. »

«Durante muchas décadas, mediciones cada vez más precisas de constantes fundamentales nos han permitido comprender mejor el universo en todas las escalas y posteriormente desarrollar nuevas tecnologías que hagan crecer nuestra economía y fortalezcan nuestra seguridad nacional», dijo Denise Caldwell, subdirectora interina de Matemática y Física de NSF. Dirección de Ciencias.

“Esta técnica basada en núcleos algún día podría permitir a los científicos medir ciertas constantes fundamentales con tal precisión que tal vez tengamos que dejar de llamarlas 'constantes'. »