Η επιστημονική κοινότητα είναι κοντά στη δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού – ενός εξαιρετικά ακριβούς ρολογιού που αξιοποιεί χαμηλή ενέργεια μετάβασης στον πυρήνα ενός ατόμου θορίου-229 για τον προσδιορισμό του χρόνου.
Η ηλεκτρική παρέμβαση κάνει τα ατομικά ρολόγια ακατάλληλα για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης. Τα πυρηνικά ρολόγια ωστόσο, δεν επηρεάζονται από το πρόβλημα αυτό και, μπορεί να προσφέρουν ανάλυση κατά 100.000 φορές καλύτερη από τη σημερινή.
Βέβαια, δεν είναι σίγουρο πως, η χρήση του πυρηνικού ρολογιού θα βρει τελικά τις θεωρητικές αναταραχές που προκαλούνται από τη σκοτεινή ύλη, ωστόσο οι επιστήμονες εξερευνούν ένα νέο, ατομικό πεδίο, στο κομμάτι τις αδιάλειπτης μελέτης τους.
Τι είναι το θόριο-229
Το θόριο-229, ένα ισότοπο του ασημί-λευκού μετάλλου, του θορίου, που κάποτε θεωρούνταν άχρηστο υποπροϊόν του πυρηνικού προγράμματος των, θα μπορούσε να καταστεί κεντρικό στοιχείο στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης από την ανθρωπότητα.
Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει μεγάλους ανιχνευτές, έχουν μελετήσει τις επιδράσεις της βαρύτητας και έχουν μελετήσει την κοσμική ακτινοβολία, ευελπιστώντας πως θα μπορούσαν να βρουν στοιχεία για την απροσδιόριστη αυτή ουσία.
Πλέον, προσπαθούν να διαπιστώσουν αν ένα πυρηνικό ρολόι που τροφοδοτείται από μεταβάσεις χαμηλής ενέργειας του πυρήνα του θορίου-229, θα μπορούσε να λειτουργήσει ως μια νέα μέθοδος στην έρευνα των μορίων.
Σε μια νέα μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε στο Physical Review X, επιστήμονες από τη Γερμανία, το Ισραήλ και την Ισπανία, μελέτησαν τους τρόπους με τους οποίους, οι μοναδικές ιδιότητες ενός πυρηνικού ρολογιού, θα μπορούσαν ν’ ανιχνεύσουν την επίδραση της σκοτεινής ύλης.
Τα ρολόγια μεγαλύτερης ακρίβειας που είναι διαθέσιμα σήμερα (τα ατομικά) βασίζονται στις ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων μεταξύ δύο κβαντικών καταστάσεων για να καταγράφουν τον χρόνο. Αν και είναι εξαιρετικά ακριβή, αυτά τα ρολόγια είναι ευαίσθητα σε ηλεκτρικές παρεμβολές.
Γιατί είναι καλύτερα τα πυρηνικά ρολόγια
Τα προτεινόμενα πυρηνικά ρολόγια, τα οποία αξιοποιούν τους πυρήνες του ατόμου, επηρεάζονται πολύ λιγότερο από τις παρεμβολές αυτές.
Η συχνότητα συντονισμού—η σταθερή ταλάντωση των πυρήνων μεταξύ των καταστάσεων “θεμελιώδης” και “υψηλής ενέργειας” —είναι αρκετά υψηλή, απαιτώντας ισχυρή ακτινοβολία ώστε να κινητοποιήσει τον πυρήνα και να παράγει το “τικ-τοκ” ενός πυρηνικού ρολογιού.
Ωστόσο, το θόριο-229, είναι ξεχωριστό επειδή η συχνότητα συντονισμού του, είναι αρκετά χαμηλή ώστε να κινητοποιηθεί από τη σύγχρονη τεχνολογία λέιζερ, κάνοντας θεωρητικά δυνατή τη δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού.
Μπορεί να είναι το πιο ακριβές ρολόι που έχει κατασκευαστεί
«Όσον αφορά τη σκοτεινή ύλη, ένα πυρηνικό ρολόι βασισμένο στο θόριο-229 θα ήταν ο απόλυτος ανιχνευτής», δήλωσε ο Gilad Perez, ένας εκ των συγγραφέων της μελέτης από το Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann. «Αυτή τη στιγμή, η ηλεκτρική παρεμβολή περιορίζει την ικανότητά μας να αξιοποιήσουμε τα ατομικά ρολόγια στη διάρκεια της μελέτης. Εκτιμούμε πως, τα πυρηνικά ρολόγια θα μας δώσουν τη δυνατότητα να ανιχνεύσουμε δυνάμεις 10 τρισεκατομμύρια φορές πιο αδύναμες απ’ τη βαρύτητα, προσφέροντας ανάλυση 100.000 φορές καλύτερη απ’ ό,τι έχουμε αυτή τη στιγμή στην μελέτη μας για τη σκοτεινή ύλη».
Το 2024, εργαστήρια ανά τον κόσμο, πρωτοπόρησαν στην ανάπτυξη ενός πυρηνικού ρολογιού θόριου – 229, με αποκορύφωμα μια μελέτη στο περιοδικό Nature, τον Σεπτέμβριο του 2024.
Η μελέτη αυτή περιγράφει την παρατήρηση της μετάβασης του θορίου-229, η οποία ήταν πιο ακριβής κατά εκατομμύρια φορές σε σχέση με προηγούμενες προσπάθειες.
«Σ’ ένα σύμπαν που αποτελείται μόνο από ορατή ύλη, οι φυσικές συνθήκες και η απορρόφηση φάσματος κάθε υλικού, θα παρέμενε σταθερή», εξήγησε ο Perez. «Επειδή όμως, μας περιβάλλει σκοτεινή ύλη, η κυματοειδής μορφή της, μπορεί ν’ αλλάξει διακριτικά την μάζα των ατομικών πυρήνων και να προκαλέσει προσωρινές αλλαγές στο φάσμα της απορρόφησής τους.
Μπορεί να χρειαζόμαστε ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια ώστε να δημιουργήσουμε ένα πυρηνικό ρολόι, ωστόσο έχουμε πλέον εντοπίσει μια ευκαιρία να μελετήσουμε τη σκοτεινή ύλη».
Δεν είναι εγγυημένο πως τα πυρηνικά ρολόγια θα σηματοδοτήσουν το τέλος της έρευνας για τη σκοτεινή ύλη, ωστόσο συνιστούν ένα νέο ατομικό μέτωπο που δεν έχει εξερευνηθεί ακόμη.
