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May 30, 2023

Endlich sind Photonen vom Übergang der Kernuhr zu sehen

Die erste direkte Messung eines Thorium-229-Kernübergangs wurde durchgeführt

Es wurde die erste direkte Messung eines Thorium-229-Kernübergangs durchgeführt, der möglicherweise die Grundlage für eine „nukleare Uhr“ bilden könnte. Die am CERN durchgeführte Forschung folgt einem Experiment aus dem Jahr 2016, das die Existenz des Übergangs bestätigte, das daraus resultierende emittierte Photon jedoch nicht detektierte. Es bleibt noch viel Arbeit, bevor eine funktionierende Uhr hergestellt werden kann, aber wenn sich ein solches Gerät als möglich erweist, könnte es sich als wichtiges Werkzeug für die Forschung in der Grundlagenphysik erweisen.

Die genauesten Uhren basieren heute auf optisch eingefangenen Ensembles von Atomen wie Strontium oder Ytterbium. Hochstabile Laser werden mit den Frequenzen bestimmter Atomübergänge in Resonanz gebracht, und die Laserschwingungen verhalten sich praktisch wie Pendelschwingungen – allerdings mit viel höheren Frequenzen und damit größerer Präzision. Diese Uhren können bis auf einen Teil von 1020 stabil sein, was bedeutet, dass sie nach 13,7 Milliarden Betriebsjahren – dem Alter des Universums – nur um 10 ms abweichen.

Atomuhren sind nicht nur großartige Zeitmesser, Physiker haben sie auch verwendet, um eine Reihe grundlegender Phänomene zu untersuchen, beispielsweise wie Einsteins allgemeine Relativitätstheorie auf Atome anwendbar ist, die in optischen Fallen eingeschlossen sind. Auf der Suche nach immer größerer Präzision und tieferen Erkenntnissen schlugen Ekkehard Peik und Christian Tamm von der Physikalisch-technischen Bundesanstalt in Braunschweig 2003 vor, dass eine Uhr hergestellt werden könnte, indem nicht die elektronischen Energieniveaus von Atomen, sondern die nuklearen Energieniveaus abgefragt werden.

Eine solche Kernuhr wäre äußerst gut gegen äußeres Rauschen isoliert. „Ein Atom hat einen Durchmesser von etwa 10–10 m; ein Kern ist etwa 10–14 oder 10–15 m groß“, erklärt Sandro Kraemer von der KU Leuven in Belgien, der an dieser neuesten Forschung beteiligt war. „Der Kern ist eine viel kleinere Antenne für die Umwelt und daher viel weniger anfällig für Verschiebungen.“

Eine Kernuhr könnte daher eine hervorragende Sonde für hypothetische, sehr kleine zeitliche Schwankungen der Werte grundlegender Konstanten wie der Feinstrukturkonstante sein, die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung quantifiziert. Solche Änderungen würden auf eine Physik jenseits des Standardmodells hinweisen. Darüber hinaus ist die nukleare Bindung stärker als ihr atomares Gegenstück, sodass die Verschiebungen zwischen den Energieniveaus energiereicher sind und bei höherfrequenten Lasern resonant wären, wodurch eine kleinere Änderung erkennbar wäre.

Dies ist jedoch ein zweischneidiges Schwert, da die meisten Kernübergänge bei viel höheren Frequenzen stattfinden, als sie von heutigen Lasern erzeugt werden können. Thorium-229 hat jedoch einen metastabilen angeregten Zustand etwa 8 eV über dem Grundzustand – ein Übergang, der im Vakuum-Ultraviolett liegt.

Kraemer erklärt, dass der Bau eines Lasers zur Anregung dieses Zustands nahezu möglich sein sollte: „Von etwa 3000 Radiokernen, die wir heute kennen, ist Thorium der einzige, den wir kennen, der einen Zustand hat, der für die Laseranregung geeignet ist.“

Zunächst müssen Forscher jedoch die genaue Häufigkeit des Übergangs kennen. Tatsächlich war der Zerfall seit langem theoretisch vorhergesagt worden, doch Versuche, das emittierte Photon nachzuweisen, waren erfolglos geblieben. Im Jahr 2016 bestätigten Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München jedoch indirekt seine Existenz, indem sie die Emission von Elektronen in einem Prozess namens interne Umwandlung maßen, bei dem die Energie des Kernzerfalls das Atom ionisiert.

Physiker messen die Energie des niedrigsten angeregten Kernzustands

Jetzt gelang Kraemer und Kollegen der erste direkte Nachweis der emittierten Vakuum-Ultraviolettphotonen durch die Untersuchung angeregter Thorium-229-Ionen. Die zugrunde liegende Idee sei nicht neu, sagt Kraemer, aber frühere Forscher hätten versucht, dies zu erreichen, indem sie Uran-233 in Kristalle implantierten, das in das angeregte Thorium-229 zerfallen könne. Das Problem besteht laut Kraemer darin, dass dadurch über 4 MeV Energie in den Kristall freigesetzt werden, was „gut für die Abtötung von Krebs, aber wirklich schlecht für uns“ ist, da es den Kristall beschädigt und seine optischen Eigenschaften beeinträchtigt.

In der neuen Arbeit nutzten die Forscher daher die ISOLDE-Anlage des CERN, um Actinium-229-Ionen in Magnesiumfluorid- und Calciumfluoridkristalle zu implantieren. Diese können durch β-Zerfall in den metastabilen angeregten Thorium-229-Kern zerfallen, wodurch vier Größenordnungen weniger Energie in den Kristall freigesetzt werden. Die Forscher konnten daher die Photonen nachweisen und die Übergangsenergie messen. Die endgültige Präzision liegt immer noch weit unter der Unsicherheit, die zum Bau einer Uhr erforderlich ist, und die Forscher arbeiten nun mit Laserphysikern daran, diese zu verfeinern.

Kyle Beloy vom US-amerikanischen National Institute for Standards and Technology ist von der Messung beeindruckt. „Es besteht ein erhebliches Potenzial für dieses Thorium-229-System als nukleare Uhr und noch mehr für die Durchführung grundlegender physikalischer Tests“, sagt er. „In dieser [Arbeit] beobachten sie ein Photon, wie es vom angeregten Zustand in den Grundzustand emittiert wird, und letztendlich ist das Ziel der Gemeinschaft hier, das Gegenteil zu tun. Das schmale Frequenzband, das der Kern absorbiert, ist.“ Die Frequenz liegt in der Größenordnung von Millihertz, während wir wissen, dass sie in der Größenordnung von 1012 Hz liegt. Es ist also wie eine Nadel im Heuhaufen, und im Wesentlichen haben sie die Größe des Heuhaufens um den Faktor sieben reduziert. Das ist ein großer Fortschritt für jeden, der den Übergang vorantreiben möchte.“

Die Forschung ist in Nature beschrieben.