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第一个原子核钟将测试是否基本常数变化

2024-09-16 22:25阅读：

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第一个原子核钟将测试是否基本常数变化
一个在钍原子中心中跃迁的超精确测量赋予物理学家一个来探测束缚宇宙的力的工具。
NUCLEAR PHYSICS
第一个原子核钟将测试是否基本常数变化

在钍-229原子核中的激光可控的跃迁发现标志着“原子核钟”的黎明。Nash Weerasekera for Quanta Magazine
ByJoseph Howlett
Staff Writer
September 4, 2024
2024年5月的一个晚上11:30
，研究生张传坤看到了一个物理学家50年来一直寻求的信号。在科罗拉多州博尔德市JILA研究所的显示器上随一个峰值从静电上升张在与他的三个实验室伙计的群聊中丢了一张屏幕截图。他们一个接一个地跳下床慢慢溜进来。在几次理智检查来确保他们正在看到的是真实的——一个来自一个钍-229原子核在两种状态之间切换的被称为“原子核时钟”跃迁的信号后——年轻的研究人员拍了一张自拍来纪念这一时刻。时间戳：凌晨3:42。
在他们的后来当天上午与他们的每周与世界的最精确的原子钟建造者、组长叶军例会上，他们决定来冷静对待它。叶说“他们都是扑克牌的脸”，直到张分享了一张展示这个长期寻求的峰值幻灯片为止。当随这群人上午9:30碰杯了香槟时叶的眼睛充满泪水。
该小组的测量报告在2024年9月4日《自然》杂志上，是跟着来自德国和加利福尼亚的结果后过去四个月内发表的第三次钍-229跃迁的观测。但新的测量是比其他测量更精确数百万倍，这标志着对需要来诱导源自原子核钟跃迁的确切的激光频率的马拉松式搜索的结束。英国达勒姆大学的物理学家汉娜·威廉姆斯（Hannah Williams）说，“这篇论文是一项令人难以置信的技术成就” 。她没有参与这项工作。
更重要的是它启动了一项新的努力：研究人员现在将试图用这一跃迁来观测是否物理定律随着时间变化，正如被许多基础物理学理论预测的那样。由于在钍-229原子核中自然四种力的两种几乎明显的意外的几乎刚好抵消，原子核钟跃迁对在这些力中的变化是极端敏感的。因此，在不同时间测量钍-229跃迁可以揭示在物理学基本常数中的任何变化。.
加拿大周边理论物理研究所的理论物理学家阿尔万尼塔基（Asimina Arvanitaki）说，“我视这为一段美好旅程的开始” 。她也没有参与其中。“现在我们已经测量了这个自然的怪异。但为来用它的怪异，需要做很多工作” 。
自然的怪胎
回到1976年，科学家们就意识到关于同位素钍-229有某些特别的，当时他们首次研究了冷战核武器研究的副产品。
原子通常处于所谓的基态中，在这种状态中所有的电子以一种稳定的方式环绕原子核。但一个电子也能以一个光子的形式从外部吸收能量并变得被激发，更快疾驰绕着原子一段时间，然后重新发射光子并返回基态。光子不得不有刚好恰当的量或“量子”的能量来激发电子。
现代时间的观念实际上被这个过程定义。科学家们用一束激光用光子沐浴铯原子。然后，他们改变激光的波长，直到它的每个光子都有刚好来激发一个电子的能量为止。这个超精确的波长然后定义一秒钟的国际标准，这就是它拿上9192631770个那些波长来通过空间中一个给定点的时间。

第一个原子核钟将测试是否基本常数变化
由研究生张传坤（右）领导的实验室的一个团队中的叶军（左）在《自然》杂志上发表了一项原子核钟跃迁的超精确测量。From left: Geoffrey Wheeler; Kenna Hughes-Castleberry/JILA
是每个原子的核上的中子和质子的紧密球体的原子核也有基态和激发态，其中它们的一个组成质子或中子吸收一个光子并短暂的更高能量的涡旋。但这些粒子比电子更被紧密聚集，因此要用更多高能的光子——伽马射线——来激发它们。这些是远更难以大量生产或有一个精确的能量的。
然而，钍-229原子核是不同的。
从20世纪50年代到70年代，美国生产了大约两吨铀-233，一种武器级裂变材料，当时正在被调查为在原子武器研究中铀-235和钚-239的可能替代品。该计划最终被取消，只留下一些放射性液体罐。但当爱达荷国家实验室的核物理学家拉里·克罗格和查尔斯·赖克在1976年研究了从这种液体发放的辐射时，他们发现了铀-233的“女儿”原子核（它的放射性衰变的产物）钍-229有一种神秘的涉及比预期的远更少能量激发原子核态的间接证据。
每个原子核都生活在两种自然力之间的紧张拉锯战中。它的带正电的质子之间的电磁力试图来将它撕裂开，而强大的力把持这个束一起。激发一个中子或质子造成原子核在两种力之间安顿成一个新的、更高能量的平衡。
爱达荷州的研究人员观察到逆转钍-229的最外中子的内在角动量或“自旋”似乎比一个典型的原子核激发用更少10000倍的能量。中子的改变的自旋略微变化电磁力和强力，但这些变化幸好刚好的彼此抵消。结果上，激发的原子核态几乎与基态没有区别。许多原子核都有类似的自旋跃迁，但只在钍-229中这种抵消是几乎完美的。
悉尼新南威尔士大学的理论物理学家夫拉姆保姆（Victor Flambaum）说,“这是偶然的。一个先验，对钍没有特殊的原因。这只是实验事实。但这种力的意外和能量有大的后果”。
计时常量
科学家们花了几十年的时间才意识到钍-229是多特殊的以及用它做什么。
克罗格和赖克的1976年测量已经是不精确的，因为它被在铀-233废物产生的嘈杂辐射浴中进行。他们不能看到当原子核衰变到基态时释放的实际低能光子；他们只是从更被激发的原子核发射的更强大伽马辐射的模式间接的推断这个能量。
1990年，赖克和一位同事更仔细的重新做了这一测量并发现激发态的能量甚至比他们最初想的更小了10倍多。而原子核跃迁往往要数百万电子伏特，钍-229用不到10电子伏特。这是一个真正的游戏规则改变者：在传统的激光的能量范围内没有其他同位素有一个能交付来可靠的、精确的触发跃迁的能量的原子核跃迁。加州大学洛杉矶分校的物理学家埃里克·哈德逊说，“在所有原子核的整个图表中，它是唯一的一个”。

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加州大学洛杉矶分校的哈德逊（Eric Hudson）团队报告了夏季原子核时钟跃迁的一个测量。David Esquivel/UCLA
如果有人能将这些原子核从放射性环境中分离开并对那个激发态匹配一个紫外激光的能量，他们就可以随意触发它，就像他们能用一个电子一样。
政府的绝大多数铀-233“废物”仍然坐在爱达荷州和橡树岭实验室的警卫室里。在橡树岭工作了31年的放射化学家赛义德·米尔扎德（Saed Mirzadeh）说，“他们的每年预算大约是某些像2000万美元的东西只是坐在那里并看守着这些东西，这样就没有人来偷东西。他们只是坐在那里，脖子上挂着枪并抽烟” 。
1994年，知道爱达荷州团队工作的米尔扎德（Mirzadeh）说服了实验室让他接触到那些摇摇欲坠的危险液体。他开发了一种从那些已经没有衰变的铀原子来分开已经衰变成钍-229铀原子的方法。他说， “我们第一次实际上做到了这一点，在实验室外有拿着机关枪的警卫”。他指出世界上现有的钍-229库存大多来自他的努力。
如何利用这样一种独特的原子核的想法开始来发生。2003年，德国计量研究所联邦物理技术研究所（PTB）的佩克（Ekkehard Peik）和塔木（Christian Tamm）提出用它来建造一个原子核钟。他们意识到因为原子核被它们的电子云从外部世界屏蔽，一个基于钍-229原子的时钟会对当时困扰最佳原子钟的大部分背景干扰是免疫的。
然后，夫拉姆保姆展示了这样一种敏感的、孤立的时钟可被用来测试自然本身的恒定性。

第一个原子核钟将测试是否基本常数变化
德国联邦物理技术研究所的佩克（Ekkehard Peik）和他的合作者是今年更早第一个用一个激光来激发原子核钟跃迁的人。Physikalisch-Technische Bundesanstalt
物理学家已经开发了来特征化束缚宇宙的力的方程，这些方程被用大约26个叫基本常数的数字拟合。这些数字如光速或引力常数定义在我们宇宙中一切如何工作。但许多物理学家认为这些数字实际上可能不是恒定的。
像弦理论一样的理论想法试图来建立一个力来自的地方的更深入、更完整的理解，往往预测这些数字甚至光速从来随着时间如此略微的变化。换句话说，这些常数可能源自它们本身是动态的支撑现象或过程。这也被最流行的暗物质理论之一预测，暗物质是漂浮在星系中并围绕星系的不可见物质。如果暗物质是由叫轴子的波一样粒子组成，那么轴子的从地方到地方变化的密度应该造成一些力的强度来上下摆动。
这些对自然法则的微小调整可能略微的扰乱发生在每个原子的原子核内的微妙平衡行为，改变它的状态的能量。原子核状态的能量来自作用在所有质子和中子上的巨大电磁力和强力的加减。甚至这些力中一种力的强度的一个相对小的变化会导致能量中的一个实在的移变。当应用到钍-229跃迁的值得注意的微小能量时这种移变会是尤其值得注意的。
在2000年代和2010年代，几个团队参加了来建造第一个源自原子核钟的比赛。为获胜，他们需要来弄清楚一个激光将需要来激发问题中的原子核态（现在叫原子核时钟跃迁）确切的能量。
照片完成
现有的原子核钟跃迁所需的能量的估计比研究人员试图来探测它用的激光波长更不精确一千倍。因此，有数千种激光波长需要来排除。在将一个激光调谐到这些波长之一后，研究人员不得不来捕获几个钍-229原子，用激光击中它们，然后等待光子显示它们已经激发了这种状态。这个灭除的过程只是要用太长的时间。

第一个原子核钟将测试是否基本常数变化
5月23日凌晨3点42分，JILA的张传坤（右二）和他的实验室同事们拍了一张自拍来纪念他们的钍-229中原子核钟跃迁的精确测量。Courtesy of Chuankun Zhang
跟随哈德逊的带领，研究小组开始构建在内部有嵌入钍的固体晶体化合物——佩克和塔木最初的提案中提到了这种方法。这些晶体能容纳千万亿个原子而不仅仅是几个，因此一个激光可以快速一夹排除波长。
去年欧洲核子研究中心的一项突破激励这场竞赛成过速。就像在爱达荷州的旧研究一样，欧洲核子研究中心的团队通过放射性衰变产生了被激发的钍-229，然后观察了光子出来。但他们发现了一种在远更安静的环境中这样做的方法，这使他们能够直接的测量来自原子核钟跃迁的微弱的紫外光，并对跃迁能量放上一个更紧的估计。.
欧洲核子研究中心团队的最新估计将波长猎人的搜索从整个森林缩小到一小片树林，他们立即的开始了搜索。今年4月，一个欧洲团队变成第一个来报告他们已经用激光探测了这种状态的。佩克贡献了他的激光专业知识，这次合作做出了用维也纳大学物理学家舒姆（Thorsten Schumm）建造的晶体生长动力房。
哈德逊的团队刚好紧随在他们后——一篇报道他们发现的论文发表在7月份的《物理评论快报》上。
叶在JILA的团队也获得了舒姆的晶体之一，并正在竞赛也来激发钍-229跃迁。多年来，该团队一直在用它的制造时钟的敏锐度来工程一种特殊的唯一目的是将钍-229变成原子核钟的紫外线激光。激光允许叶和他的团队能够同时测试许多波长来接近他寻求的任何跃迁。他的团队的新论文用将可能是未来几年该状态的能量的最精确测量封顶这三项平行的发现。
威廉姆斯说，“这些结果已经都在很短的周期出来，因此至于他们下一步要做的是非常令人兴奋的” 。
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这一结果开启在钍上的自然的力的测试。哈德逊说，“现在乐趣开始了”，他很高兴用新工具研究基本常数。“我们能实际上做这些东西” 。
钍原子核态的能量对基本常数中的变化比任何原子态的那个是远更敏感的。但科学家们将需要甚至进一步提高他们的测量精度来注意比那些被传统原子钟已经排除的更微妙的变化。叶能用一个万亿分之一的精度测量原子核时钟跃迁，但可能的变化将小到10万亿分之一。他说，“下到这条路上还有很多年”。
不过，最终，一些旧的冷战副产品可能为我们看到的支撑宇宙的更深的、没有被发现的物理学产生第一个证据。哈德逊问道，“我们叫它们常数，但为什么呢？当你放大并观察它时没有任何东西从来是那么简单的” 。
https://www.quantamagazine.org/the-first-nuclear-clock-will-test-if-fundamental-constants-change-20240904/

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