Relojes nucleares: el tictac del núcleo en busca de la materia oscura exprés
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.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2606.04997
The laser-accessible nuclear transition in the thorium-229 isotope has been identified as a promising candidate for the realization of an optical nuclear clock. Such a nuclear clock might rival or outperform current optical clocks based on electron-shell transitions in atoms or ions, is expected to be more robust against external perturbations, and provides enhanced sensitivity in clock-based tests of fundamental principles of physics. Here, we implement a thorium-229 nuclear clock by stabilizing a continuous-wave laser to the 148 nm nuclear transition with rapid feedback based on continuous absorption spectroscopy. The thorium-229 nuclei are embedded into a millimeter-sized, room temperature calcium fluoride crystal. A subharmonic of the 148 nm radiation is continuously compared to a Yb+ single-ion clock. The nuclear clock shows a simple shot-noise limited scaling of the fractional frequency instability of $$3\cdot 10^{-12} \sqrt{\tau/\text{s}}$$ where $$\tau$$ is the averaging time, approaching $$10^{-15}$$ instabilities over 1 day of continuous operation. Improvements of the instability by several orders of magnitude can be projected for future solid-state nuclear clocks. We use the nuclear clock to constrain models of ultralight dark matter by searching for periodic fluctuations and slow drifts in the nuclear transition energy, on time scales between 20 s and 1 day. Drawing benefit from the enhanced sensitivity of the thorium-229 transition, these constraints compete with the best atomic clocks concerning dark matter coupling to photons and go beyond previous measurements regarding coupling to the strong force and quarks.
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.