Os relógios nucleares estão um pouco mais perto da realidade graças a experimentos que mediram a energia do estado mais baixo de excitação de um núcleo de tório-229 com a maior precisão de todos os tempos. Um relógio baseado em transições entre tais estados nucleares seria muito mais preciso do que os relógios atômicos existentes e, portanto, colocaria restrições mais rígidas no Modelo Padrão da física de partículas.
Os relógios atômicos “marcam” nas frequências definidas pelas transições regulares de elétrons dentro de átomos ou íons, conforme medido por um laser mantido em ressonância com essas transições. Os melhores relógios atômicos de hoje têm precisão de uma parte em 1018, o que significa que eles desacelerariam em menos de um segundo se deixados funcionando por 13 bilhões de anos (a idade do universo). No entanto, um relógio que dependesse de transições nucleares seria ainda mais preciso, porque o pequeno tamanho de um núcleo atômico em relação à camada de elétrons de um átomo significa que o comportamento do primeiro é menos afetado por campos eletromagnéticos externos.
Muito baixo para ser detectado?
Um candidato promissor para uma transição de “relógio” nuclear é aquele entre o estado fundamental do núcleo do tório-229 e seu estado nuclear excitado mais baixo, o tório-229m. Este estado é às vezes chamado de estado isômero devido ao seu longo tempo de vida, e foi descoberto pelos físicos L A Kroger e C W Reich em 1976 durante uma análise da estrutura do nível nuclear do tório.
A diferença de energia entre o tório-229 no estado fundamental e o tório-229m excitado é tão pequena que Kroger e Reich não foram capazes de observar linhas espectrais separadas para a transição usando a tecnologia disponível para eles na época. Em vez disso, eles inferiram a existência de tório-229m a partir de uma anomalia em suas medições: uma das energias de raios gama previstas pela teoria estava faltando nos sinais medidos.
Desde então, os físicos aprenderam que a energia de excitação do tório-229m (e, portanto, a energia da radiação emitida quando o núcleo do tório retorna ao seu estado fundamental) é a mais baixa de todos os estados excitados nucleares, correspondendo a uma frequência no UV superior em vez da região de raios gama do espectro eletromagnético. De acordo com Thorsten Schumm da Universidade de Tecnologia de Viena da Áustria, que iniciou o novo esforço de pesquisa, é, portanto, possível “promover” um núcleo de tório em seu estado de excitação mais baixo simplesmente lançando luz ultravioleta sobre ele com um laser de mesa. Uma vez que essa façanha seja alcançada de forma controlada, um relógio nuclear poderia então ser realizado medindo a frequência de oscilação do núcleo do tório conforme ele faz a transição entre o tório-229 e o tório-229m.
Detectando “raios gama UV” de baixa energia
O problema é que a energia do estado excitado ainda não é conhecida com precisão suficiente para determinar o comprimento de onda exato da luz ultravioleta necessária para conduzir essa transição. Christian Enss e Andreas Fleischmann, do Instituto Kirchhoff de Física da Universidade de Heidelberg, Alemanha, deram agora um passo importante para superar esse problema. Eles fizeram isso repetindo a medição de espectroscopia gama de Kroger e Reich com um novo espectrômetro gama de última geração especialmente projetado: um microcalorímetro magnético resfriado a uma fração de grau acima do zero absoluto (-273 ° C).
Este micro-calorímetro, conhecido como maXs30, detecta os “raios gama UV” de baixa energia emitidos durante a transição de tório-229m para tório-229 monitorando o minúsculo aumento de temperatura que ocorre sempre que um raio gama é absorvido pelo dispositivo. O aumento do calor muda a magnetização do detector e essa mudança é então convertida em um sinal elétrico usando magnetômetros SQUID semelhantes aos usados rotineiramente na tomografia de ressonância magnética.
Medição desafiadora
Embora a técnica seja semelhante à usada em alguns estudos anteriores, as novas medições, relatadas em Physical Review Letters, produziram valores muito mais precisos para a energia do tório-229m graças à resolução do calorímetro. Os pesquisadores também fizeram um grande esforço para “limpar” suas amostras de tório-229. Eles obtiveram suas amostras por meio de uma técnica estabelecida com base no decaimento alfa do urânio-233 radioativo. Este processo de decaimento gera núcleos de tório-229 em vários estados, incluindo tório-229m, e é acompanhado pela emissão de múltiplos raios gama, cada um dos quais corresponde a uma transição entre níveis nucleares específicos de tório-229. A energia do tório-229m pode então ser calculada subtraindo as energias medidas das linhas de raios gama apropriadas.
Para tornar essas medições possíveis, no entanto, a amostra de urânio-233 produzida pela equipe de Christoph Düllmann na Universidade Johannes Gutenberg de Mainz primeiro teve que ser tratada quimicamente para remover todos os produtos de decomposição “filha” que se acumularam ao longo do tempo. Os pesquisadores também removeram radioisótopos indesejados, cuja decadência pode produzir um fundo indesejado no sinal que desejavam medir. Eles então projetaram uma fonte e um recipiente de amostra em uma geometria especial que minimizou qualquer interferência nos sinais fracos conforme eles viajavam da amostra para o calorímetro. Todos esses cuidados são necessários, explicam os pesquisadores, porque apenas um em cada 10.000 processos de decaimento produz um sinal útil para determinar a energia do tório-229m.
Valor mais preciso
Em última análise, este trabalho duro valeu a pena: o resultado da equipe representa o valor mais preciso da energia do estado do isômero já medido, em 8,10 (17) eV (os números entre parênteses denotam a incerteza dos últimos dígitos). Este resultado se compara bem ao melhor valor medido anteriormente de 8,28 (0,17) eV, e corresponde à luz com comprimento de onda de 153,1 (32) nm.
Uma vez que não há atualmente nenhum laser de onda contínua operando em tais comprimentos de onda, os pesquisadores estão usando pentes de frequência – fontes de laser com espectros contendo linhas equidistantes que permitem medições espectroscópicas incrivelmente precisas – para promover o tório-229 em seu estado excitado.
“O valor energético mais preciso é de grande importância para a obtenção de uma excitação direta a laser da transição nuclear, que abrirá um novo campo de pesquisa e nos aproximará de um relógio nuclear”, afirma Ekkehard Peik do PTB, Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha, que não estava envolvido no trabalho. Tal relógio, proposto pela primeira vez em 2003, seria extremamente sensível ao valor da constante de estrutura fina α, que mede a intensidade da interação eletromagnética – uma das quatro forças físicas na natureza. Essa sensibilidade extra poderia possibilitar aos físicos determinar se essa constante é de fato sempre constante ou se varia sob certas condições. Variações, se descobertas, podem implicar em física além do modelo padrão da física de partículas.
Publicado em 02/11/2020 17h13
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