Johannes Thielking har stått i spissen for målinger av egenskapene til kjernen for thorium-229 med lasersystemer hos Physikalisch-­Technische Bundesanstalt. Foto: Physikalisch-­Technische Bundesanstalt
Johannes Thielking har stått i spissen for målinger av egenskapene til kjernen for thorium-229 med lasersystemer hos Physikalisch-­Technische Bundesanstalt. Foto: Physikalisch-­Technische Bundesanstalt

Kjerneur

Kjerneuret kan slå atomuret i både nøyaktighet og stabilitet

Atomurets avløser er på vei.

  • Kjerneur

Energioverganger i atom­kjerner kan danne basis for ultranøyaktige ur. De kan for eksempel brukes til å teste om naturkonstantene er konstante også i virkeligheten.

Atomur er ultrapresise tidsmålere. De er uunnværlige for moderne satellittbaserte navigasjonssystemer, og har siden 1967 vært grunnlag for definisjonen av sekundet.

I laboratoriene er de beste av dem så stabile at det tilsvarer at de bare mister eller får ett sekund over en tidsperiode som er lenger enn universets alder.

Ikke desto mindre har et lite antall forskningsgrupper verden over i årevis forsket på et alternativ som har potensial til å bli mange ganger bedre, og gi forskerne nye muligheter. Det handler om kjerneuret, som tar utgangspunkt i atomkjernen, og ikke hele atomet.

I motsetning til atomur, som kan lages med utgangspunkt i flere forskjellige atomer – hydrogen, strontium, rubidium og cesium er blant de mest foretrukne – er det bare én kandidat til et kjerneur. Det er thorium i varianten 229Th.

Forskningen er fremdeles knyttet til å forstå denne atomkjernen i detalj, for uten denne kunnskapen kan man ikke gå videre og lage et reellt thorium-kjerneur.

Avgjørende skritt mot kjerneuret

To nye forskningsresultater som har kommet fram i løpet av den siste måneden, anses å være avgjørende skritt videre mot realiseringen av kjerneuret, men uten at noen vil hinte om når et slikt ur kan bli en realitet.

I en artikkel i Nature har forskere fra fire tyske forskningsinstitusjoner gjort rede for hvordan de har målt størrelsen og formen av ladningsfordelingen i en anslått tilstand av thorium-229-kjernen, og en russisk forskningsgruppe har i en artikkel som er tilgjengelig på preprintserveren arxiv.org gitt en ny definisjon av energien og levetiden av den anslåtte tilstanden, eller isomer, som betegnes 229mTh. Dette er en tilstand som har vært kjent i over 40 år, men egenskapene til den har man inntil nå hatt liten kunnskap om.

Atomur har mange praktiske bruksområder, men hypernøyaktige kjerneur vil nok i første omgang sannsynligvis være mest interessante i forbindelse med grunnforskning innen fysikk, enn til nye teknologiske produkter.

En del forskere spekulerer i om naturkonstanter, som for eksempel lysets hastighet, nå også i virkeligheten er konstante, eller om de kunne ha hatt andre verdier i universets barndom enn de har i dag.

Selv om det fremdeles er en svært spekulativ påstand, har det i tidens løp blitt framlagt enkelte astrofysiske observasjoner som kan indikere noe slikt.

Det er mulig å teste denne hypotesen i laboratorieeksperimenter ved bruk av atomur, men uten at man hittil har funnet belegg for annet enn at konstantene er konstante.

Eksperimenter viser dermed at finstrukturkonstanten (som avhenger av lysets hastighet) høyst kan variere med 3 deler av 10^17 i året. Med kjerneur vil det bli mulig å teste med enda større nøyaktighet, og dermed vil man muligens kunne oppdage at finstrukturkonstanten endrer seg uhyre lite. Det vil være sensasjonelt hvis dette skulle vise seg å være tilfelle.

Fra atomur til kjerneur

Ur måler tid. Tid og frekvens er omvendt proporsjonale størrelser, og innen atom- og kjernefysikk er frekvens knyttet til energiforskjeller. Energien av et foton er for eksempel gitt ved produktet av Plancks konstant og frekvensen. Derfor kan energiforskjeller også danne grunnlaget for et ur.

Atomer har energimessig en grunntilstand og flere beregnede eller anslåtte tilstander med en høyere energi, noe som er bestemt av at elektroner kan befinne seg i forskjellige skall.

Når et atom henfaller fra en høyere energitilstand til en lavere energitilstand, sendes det ut stråling med en veldefinert frekvens som er bestemt av energiforskjellen.

Energiforskjeller kan umiddelbart benyttes som grunnlag for å bestemme tid, og siden de er svært veldefinerte, blir tidsbestemmelsen også veldig nøyaktig når man bruker dem.

Frekvensen av strålingen for atomur av cesium og rubidium er i gigahertzområdet, mens et strontiumur vil sende ut stråling ved optiske frekvenser – det kalles derfor også for et optisk atomur.

Atomkjernens energitilstander

Men det er ikke bare hele atomet som har forskjellige energitilstander; det samme gjelder også for atom­kjernen.

I atomkjernen kan protoner og nøytroner også befinne seg i forskjellige skall. For visse atomkjerner finnes såkalte metastabile iso­merer, hvor atomkjernen i et kortere tidsrom kan være i sin anslåtte tilstand, før den henfaller til grunntilstanden.

Siden protoner og nøytroner er pakket veldig tett i kjernen, er de mye mindre påvirkelige av eksterne forhold som kan forstyrre overgangsfrekvensene deres, enn det som er tilfelle for elektroner i atomet. Her er elektronskyen utenfor kjernen med på å avskjerme.

Kjerneovergangene har også en høy frekvens. Det tilsvarer at uret tikker svært raskt.

Det er noen av de forholdene som gjør et kjerneur mer nøyaktig enn et atomur.

Men frekvensen må likevel ikke være høyere enn at man skal kunne anslå isomertilstanden eksternt, for eksempel med lasere.

Den laveste energiforskjellen

Dette er umulig for alle andre kjerne­overgangene enn de mellom 229Th og 229mTh, som er den laveste energi­forskjellen av alle kjente kjerneoverganger for alle atomer.

Allerede på 1990-tallet estimerte man energien til å være bare noen få elektronvolt, som er energien av fotoner av ultrafiolett stråling. Vi kjenner bare én annen anslått kjerne­tilstand med en energi under en kiloelektronvolt – det er 235mU med 76 elektronvolt.

Dette fikk i 2003 Ekkehard Peik og Christian Tamm fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i Braunschweig, Tyskland til å foreslå 229mTh som den eneste mulige kandidat til et kjerneur.

229Th finnes naturlig i bare svært små mengder, men det kan dannes ut fra den mest vanlige varianten av 232Th, som i en reaktor ved nøytroninnfangning og to påfølgende betahenfall (utsendelse av elektroner) vil omdannes til uran av isotopen 233U.

Med en halveringstid på 160 000 år og et alfahenfall omdannes 233U efterfølgende til 229Th, som har en halveringstid på nesten 8000 år.

Nåla i høystakken

I mange år gikk det tregt med å bestemme de nøyaktige egenskapene for isomeren 229mTh.

Først for to år siden lyktes det for Lars von der Wense fra Ludwig- Maximilians-Universität München, sammen med en rekke kolleger, å foreta den første direkte deteksjonen av 229mTh-tilstanden.

De kunne eksperimentelt bestemme at energien var mellom 6,3 og 18,3 elektronvolt, noe som var i overensstemmelse med en indirekte bestemmelse fra 2007, gjennomført av en amerikansk forskergruppe. Den hadde gitt et resultat på mellom 7,3 og 8,3 elektronvolt, noe som tilsvarer en bølgelengde på omkring 160 nanometer.

Nå har Ekkehard Peik og Lars von der Wense – sammen med flere kolleger – i en felles artikkel i Nature beskrevet hvordan de med laserspektroskopi har karakterisert strukturen for 229mTh.

Dermed kommer man enda nærmere å kunne anslå den ønskede tilstanden, som man har visst fantes, men som for forskerne har vært like vanskelige å finne som nåla i høystakken.

Ikke funnet

– Slik som man ønsker det fra et ur, er resonansen for overgangen svært skarp, og kan bare observeres hvis frekvensen for laserlyset helt presist matcher energiforskjellen mellom tilstandene, forklarer Ekkehard Peik.

Med de nye målinger har forskerne fremdeles ikke funnet nålen.

– Men nå vet vi hvordan nålen vi leter etter ser ut, og det bringer oss et avgjørende skritt videre, sier Ekkehard Peik.

Som et ytterligere bidrag til forståelsen av tilstanden har Eugene Tkaly og Petr V. Borisyuk fra det nasjonale nukleære forsknings­universitet MEPhI i Moskva offentliggjort en mer nøyaktig bestemmelse av energien, som de anfører til å være mellom 6,9 og 7,2 elektronvolt.

Simon Stellmer fra Technische Universität Wien roser russerne på nettsidene til EU- prosjektet NuClock (for Nuclear Clock) med håpet om at en uavhengig definisjon fra andre kan bekrefte resultatet.

Kjerneuret har lurt i krokene lenge, men nå ser det for alvor ut til å være framdrift på dette området.

Artikkelen ble først publisert på Ing.dk

Kommentarer (6)

Kommentarer (6)