核時計の画期的な進歩:宇宙の基本定数のテスト|物理

トリウム原子の中心部の遷移を超精密に測定することで、物理学者は宇宙を束ねる力を調べるツールを得ることができます。

トリウム 229 の原子核におけるレーザー制御可能な遷移の発見は、「核時計」の夜明けを告げるものです。

ナッシュ・ウィーラセケラクアンタマガジン

はじめに

2024年5月のある夜11時30分、大学院生のチャン・チュアンクンさんは、物理学者が50年間探し求めてきた信号を目撃した。コロラド州ボルダーにある研究機関 JILA のモニターにピークが現れたとき、Zhang 氏は 3 人の研究室仲間とのグループチャットにスクリーンショットを落としました。彼らは一人ずつベッドから飛び起き、少しずつ部屋に入った。自分たちが見ているものが本物であること（「核時計」遷移として知られる、トリウム229原子核が2つの状態を切り替える信号）であることを確認するための数回の正気度チェックの後、若い研究者たちはその瞬間を記念して自撮り写真を撮った。タイムスタンプ:午前 3 時 42 分

その日の朝遅くに行われた、世界で最も正確な原子時計の製造者であるグループリーダーのジュン・イェ氏との毎週の会議で、彼らは冷静に対処することに決めました。「彼らはみなポーカーフェイスだった」と葉氏は言うが、張氏が長年探し求めていた山頂を示すスライドを共有した。午前9時30分、グループでシャンパンのグラスを鳴らしながら、イェーさんの目には涙があふれた。

グループの測定結果は、2024 年 9 月 4 日にネイチャー誌に報告されました。は、ドイツとカリフォルニアでの結果に続いて、過去4か月以内に発表されたトリウム229の遷移に関する3番目の観測結果である。しかし、新しい測定は他の測定よりも何百万倍も正確であり、核時計の遷移を引き起こすために必要な正確なレーザー周波数を求める長い研究の終わりを示します。「この論文は信じられないほどの技術的成果です」と、この研究には関与していない英国ダラム大学の物理学者ハンナ・ウィリアムズ氏は語った。

さらに重要なのは、新たな取り組みを開始することだ。研究者らは今後、この転移を利用して、基礎物理学の多くの理論で予測されているように、物理法則が時間の経過とともに変化するかどうかを観察しようとしている。トリウム 229 原子核内の自然の 4 つの力のうちの 2 つが明らかに偶然に、ほぼ正確にキャンセルされたため、核時計の遷移はこれらの力の変化に非常に敏感です。したがって、このトリウム 229 の遷移をさまざまな時点で測定すると、物理学の基本定数の変動を明らかにできる可能性があります。

「これは美しい旅の始まりだと思います」と、同じく関与していないカナダの理論物理学ペリメーター研究所の理論物理学者アシミナ・アルヴァニタキ氏は語った。「今、私たちはこの自然の異常さを測定しました。しかし、その異常さを利用するには、多くの作業を行う必要があります。」

自然の変人

科学者たちは、冷戦時代の核兵器研究の副産物であるこの副産物を初めて研究した 1976 年に、同位体トリウム 229 には何か特別なものがあることに気づきました。

原子は通常、いわゆる基底状態にあり、すべての電子が安定して原子核の周りを回っています。しかし、電子は光子の形で外界からエネルギーを吸収して励起し、原子の周りを一瞬速く飛び回り、その後光子を再放出して基底状態に戻ることもあります。光子は、電子を励起するために適切な量のエネルギー、つまり「量子」を持っていなければなりません。

現代の時間の概念は実際にはこのプロセスによって定義されます。科学者はレーザーを使用してセシウム原子に光子を浴びせます。次に、それぞれのフォトンが電子を励起するのに適切なエネルギーを持つまでレーザーの波長を変更します。この超高精度の波長は、1 秒間の国際標準を定義します。これは、これらの波長のうち 9,192,631,770 個が空間内の特定の点を通過するのにかかる時間です。

大学院生の Chuankun Zhang (下) が率いる Jun Ye の研究室 (上) のチームは、核時計の遷移の超精密な測定結果を Nature 誌に発表しました。

大学院生の Chuankun Zhang (右) が率いる Jun Ye (左) の研究室のチームは、核時計の遷移の超精密な測定結果を Nature 誌に発表しました。

左から:ジェフリー・ウィーラー。ケナ・ヒューズ-キャッスルベリー/JILA

すべての原子の中心にある中性子と陽子の緊密な球である原子核にも、基底状態と励起状態があり、その構成要素である陽子または中性子の 1 つが光子を吸収し、短時間よりエネルギー的に渦を巻きます。しかし、これらの粒子は電子よりもはるかに密に詰まっているため、それらを励起するにはより高エネルギーの光子、つまりガンマ線が必要になります。これらを大量に生産したり、正確なエネルギーで生産したりするのは非常に困難です。

しかし、トリウム 229 原子核は異なります。

1950 年代から 1970 年代にかけて、米国は約 2 トンのウラン 233 を生産しました。これは兵器級の核分裂性物質であり、核兵器研究においてウラン 235 およびプルトニウム 239 の代替候補として研究されていました。この計画は最終的に廃止され、放射性液体のタンクがいくつか残されただけとなった。しかし、アイダホ国立研究所の核物理学者ラリークローガーとチャールズライヒが 1976 年にその液体から発せられる放射線を研究したとき、ウラン 233 の「娘」原子核 (放射性崩壊の生成物) であるトリウム 229 が予想よりもはるかに少ないエネルギーしか必要としない謎の励起核状態を持っているという間接的な証拠を発見しました。

すべての核は、自然の 2 つの力の間の緊張した綱引きの中で生きています。正に帯電した陽子間の電磁力がそれを引き裂こうとする一方で、強い力が束を一つに保持します。中性子または陽子を励起すると、原子核は 2 つの力の間の新しい、よりエネルギー的な平衡状態に落ち着きます。

アイダホ州の研究者らは、トリウム 229 の最外層中性子の固有角運動量、つまり「スピン」を逆転させるのに必要なエネルギーが、典型的な核励起よりも 10,000 倍少ないようであることを観察しました。中性子のスピンの変化により、電磁力と強い力の両方がわずかに変化しますが、それらの変化はたまたまほぼ正確に互いに打ち消し合います。したがって、励起核状態は基底状態とほとんど変わりません。多くの原子核は同様のスピン遷移を持っていますが、この相殺がこれほど完璧に近いのはトリウム 229 だけです。

「それは偶然です」とシドニーのニューサウスウェールズ大学の理論物理学者ビクター・フランボーム氏は言う。「先験的に、トリウムが存在する特別な理由はありません。それは単なる実験的事実です。」しかし、この力とエネルギーの事故は大きな結果をもたらします。

定数のクロック

科学者たちがトリウム 229 がいかに特別なものであるか、そしてそれをどう扱うべきかを理解するまでに数十年かかりました。

クローガーとライヒの 1976 年の測定は、ウラン 233 廃棄物が生成する放射線の騒音の中で行われたため、不正確でした。彼らは、原子核が基底状態に崩壊するときに放出される実際の低エネルギー光子を見ることができませんでした。彼らは、より励起された原子核から放出されるより強力なガンマ線のパターンから間接的にエネルギーを推測しただけです。

1990 年、ライヒとその同僚はこの測定をより慎重にやり直し、励起状態のエネルギーが当初考えていたよりもさらに小さいこと、つまり 10 分の 1 以上であることを発見しました。核転移には多くの場合数百万電子ボルトがかかりますが、トリウム 229 では 10 電子ボルト未満で済みます。これは真のゲームチェンジャーでした。従来のレーザーのエネルギー範囲内で核転移を起こす同位体は他になく、確実かつ正確に転移を引き起こすエネルギーを供給できます。カリフォルニア大学ロサンゼルス校の物理学者、エリック・ハドソン氏は、「すべての原子核の全体図の中で、これは唯一の原子核です」と述べています。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校のエリック・ハドソンのチームは、夏の核時計の推移の測定結果を報告しました。

デビッド・エスキベル/UCLA

誰かがこれらの原子核をその放射性環境から隔離し、紫外線レーザーのエネルギーをその励起状態に合わせることができれば、電子の場合と同じように、自由にレーザーをトリガーできるでしょう。

政府のウラン 233 の「廃棄物」の大部分は、依然としてアイダホ研究所とオークリッジ研究所の警備された部屋に放置されています。「彼らの予算は、誰も入ってきて盗まないようにただそこに座って観察するために年間2,000万ドルほどだった」とオークリッジで31年間働いた放射化学者のサイード・ミルザデ氏は語った。「彼らはただそこに座って、銃を首から下げたままタバコを吸っていました。」

1994年、アイダホチームの研究を知っていたミルザデは、危険な液体が入った衰弱したタンクへのアクセスを許可するよう研究室を説得した。彼は、すでにトリウム 229 に崩壊したウラン原子とまだ崩壊していないウラン原子を分離する方法を開発しました。「初めて実際に実験を行ったとき、研究所の外には機関銃を持った警備員がいました」と彼は語った。世界のトリウム 229 の既存在庫のほとんどは彼の努力によるものであると彼は述べました。

このようなユニークな核をどのように活用するかというアイデアが生まれ始めました。 2003 年、ドイツの計量研究所である連邦物理技術研究所 (PTB) のエッケハルト・ペイク氏とクリスチャン・タム氏は、これを核時計の製造に使用することを提案しました。原子核は電子の雲によって外界から守られているため、トリウム 229 原子をベースにした時計は、当時最高の原子時計を悩ませていたバックグラウンド干渉の多くを免れることができると彼らは気づきました。

次に、フランボームは、このような高感度で独立した時計を使用して、自然そのものの不変性をテストできることを示しました。

ドイツ連邦物理技術研究所のエッケハルト・ペイク氏とその共同研究者らは、今年初めにレーザーを使って核時計の移行を初めて刺激した。

物理技術連邦

物理学者は、宇宙を束縛する力を特徴付ける方程式を開発しました。これらの方程式には、基本定数と呼ばれる約 26 個の数値が当てはめられています。光の速度や重力定数などのこれらの数値は、私たちの宇宙ですべてがどのように機能するかを定義します。しかし、多くの物理学者は、その数値は実際には一定ではないのではないかと考えています。

力がどこから来るのかをより深く完全に理解しようとするひも理論のような理論的考え方は、これらの数値、さらには光の速度さえも時間の経過とともにわずかに変化すると予測することがよくあります。言い換えれば、定数は、それ自体が動的である根底にある現象またはプロセスから生じる可能性があります。これは、銀河の中や周囲に浮かぶ目に見えない物質である暗黒物質に関する最も人気のある理論の 1 つによっても予測されています。暗黒物質がアクシオンと呼ばれる波状の粒子で構成されている場合、場所ごとに異なるアクシオンの密度により、一部の力の強さが上下に揺れるはずです。

自然法則に対するこれらの小さな調整は、すべての原子核の内部で起こる微妙なバランス作用をわずかに混乱させ、その状態のエネルギーを変える可能性があります。核国家のエネルギーは、すべての陽子と中性子に作用する巨大な電磁力と強い力を足したり引いたりすることによって生じます。これらの力の 1 つの強さの比較的小さな変化でも、エネルギーに大きな変化が生じます。この変化は、トリウム 229 遷移の非常に小さなエネルギーに適用すると特に顕著になります。

2000 年代から 2010 年代にかけて、いくつかのチームが最初の核時計の製造競争に参加しました。勝つためには、問題の核保有国を励起するためにレーザーが必要とする正確なエネルギーを把握する必要がありました。これは現在、核時計遷移と呼ばれています。

写真仕上げ

核時計の遷移に必要なエネルギーの既存の推定値は、研究者がそれを調査しようとしていたレーザーの波長よりも1,000分の1も正確ではありませんでした。したがって、除外すべきレーザー波長は何千もありました。レーザーをこれらの波長のいずれかに調整した後、研究者はトリウム 229 原子をいくつかトラップし、レーザーを照射して、状態が励起されたことを示す光子を待つ必要がありました。この消去プロセスには時間がかかりすぎます。

ハドソン氏の先導に従って、グループは内部にトリウムを埋め込んだ固体結晶化合物の構築を開始した。これはペイク氏とタム氏の最初の提案で言及されたアプローチである。結晶には数個ではなく数千個の原子を保持できるため、レーザーは急速に波長を排除できる可能性があります。

昨年の CERN の躍進により、競争は一気に加速しました。アイダホ州の古い研究と同様に、CERN チームは放射性崩壊によって励起トリウム 229 を生成し、その後、出てくる光子を観察しました。しかし、彼らは、より静かな環境で測定を行う方法を発見しました。これにより、核時計の遷移から生じる微弱な紫外線を直接測定し、遷移エネルギーをより厳密に推定できるようになりました。

CERN チームの最新の推定値では、波長ハンターの捜索対象が森全体から小さな雑木林に絞り込まれ、すぐに捜索が始まりました。今年4月、ヨーロッパのチームがレーザーでこの州を調査したことを最初に報告した。 Peik 氏はレーザーの専門知識を提供し、この共同研究ではウィーン大学の物理学者 Thorsten Schumm 氏が建設した結晶成長発電所を利用しました。

ハドソンのグループは彼らのすぐ後に続きました - 彼らの発見を報告した論文はフィジカルレビューレターに掲載されました 7 月に。

JILA のイェ氏のグループもシュムの結晶の 1 つを入手しており、同様にトリウム 229 遷移を刺激しようと競っていました。このグループは長年にわたり、トリウム 229 を核時計に変えることだけを目的として、時計製造の洞察力を利用して特殊な紫外線レーザーを開発してきました。レーザーを使用すると、葉と彼のグループは多くの波長を一度にテストして、彼が求めるあらゆる変化に近づくことができます。彼のチームの新しい論文は、この 3 つの並行する発見を、おそらく今後数年間にわたって州のエネルギーを最も正確に測定できるもので締めくくっています。

「これらの結果はすべて非常に短期間で明らかになりました。ですから、彼らが次に何をするのか非常に楽しみです。」

この結果により、トリウムによる自然の力のテストが開始されます。「これからが楽しいことの始まりです」とハドソン氏は、新しいツールを使って基本定数の研究をすることに興奮して言いました。「実際にこんなこともできるんです。」

トリウム核状態のエネルギーは、他の原子状態よりも基本定数の変化に対してはるかに敏感です。しかし科学者は、従来の原子時計ではすでに排除されている変化よりも微妙な変化に気づくために、測定の精度をさらに向上させる必要がある。現在、Ye は核時計の推移を 1 兆分の 1 の精度で測定できますが、起こり得る変動は 10 兆分の 1 程度に小さいでしょう。「それは何年も先のことです」と彼は言いました。

しかし、最終的には、古い冷戦の副産物の一部が、私たちが見ている宇宙の根底にある、まだ発見されていないより深い物理学の最初の証拠を生み出す可能性があります。「私たちはそれらを定数と呼んでいますが、なぜですか?」ハドソンは尋ねた。「拡大して見てみると、これほど単純なことはありません。」

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