Relojes nucleares: el tictac del núcleo en busca de la materia oscura ⚡ экспресс
La transición nuclear en el isótopo torio-229 se considera una base prometedora para relojes nucleares ópticos, que superan en estabilidad a los relojes atómicos tradicionales. En este trabajo se implementaron dichos relojes por primera vez: un láser continuo con longitud de onda de 148 nm se estabilizó mediante la transición nuclear utilizando una rápida retroalimentación basada en espectroscopía de absorción. Los núcleos de torio-229 están incrustados en un cristal de fluoruro de calcio de tamaño milimétrico a temperatura ambiente. La subarmónica de la radiación de 148 nm se compara continuamente con un reloj de un solo ion de Yb+. Se ha alcanzado una inestabilidad de frecuencia de disparo de 3·10^{-12} √(τ/s), que disminuye a 10^{-15} tras un día de funcionamiento continuo. Los relojes se utilizaron para limitar modelos de materia oscura ultraligera: la búsqueda de fluctuaciones periódicas y derivas lentas de la energía de transición en escalas de tiempo desde 20 s hasta un día dio límites comparables a los de los mejores relojes atómicos para la interacción de la materia oscura con fotones y superiores a los anteriores para la interacción con la fuerza fuerte y los quarks.
Los relojes más precisos de hoy miden el tiempo a partir de las oscilaciones de los electrones en los átomos. Pero su marcha puede alterarse, como un resorte de un reloj mecánico se desajusta con los golpes. Los físicos han encontrado un péndulo más fiable: el núcleo atómico. Tomaron el núcleo de torio-229, lo colocaron en un cristal y lo hicieron oscilar iluminándolo con un láser de una frecuencia muy precisa. Esta técnica se llama espectroscopia, que en esencia consiste en buscar el ritmo exacto para que el péndulo «oscile». Y el núcleo respondió: oscila 2000 billones de veces por segundo, un millón de veces más rápido que el cuarzo de un teléfono inteligente.
La precisión es asombrosa: en un día, el error es de una milmillonésima de milmillonésima de segundo. Un reloj así solo se retrasaría un segundo en 30 mil millones de años. Pero lo más importante es que este péndulo es extraordinariamente sensible a cualquier «soplo» externo, como las partículas de materia oscura que pasan. Los científicos buscaron sus huellas: empujones periódicos o un cambio gradual de la frecuencia. No encontraron nada, pero esto también es un resultado: ahora sabemos con qué intensidad puede la materia oscura interactuar con los núcleos atómicos ordinarios.
En el futuro, la precisión de estos relojes de estado sólido aumentará muchas veces. Comprobarán si las constantes fundamentales del modelo estándar son realmente invariables, y quizás detecten que el tiempo transcurre de manera diferente a distintas altitudes, tal como predice la teoría de Einstein. Por ahora, su principal tarea es captar la «sombra» de la materia oscura.
🎯 La transición en el núcleo de torio-229 es la única en el Universo que se puede «capturar» con láseres de la tecnología actual. Por eso fue elegido para los primeros relojes nucleares.