Hoe de eerste nucleaire overgang met een laser kan worden geëxciteerd in het zichtbare golflengtebereik

De thoriumisotoop met massagetal 229 (²²⁹I) is in veel opzichten buitengewoon opwindend – zowel voor fundamentele fysica als voor toekomstige toepassingen, bijvoorbeeld in het concept van een nucleaire klok.

Een internationaal Duits-Chinees-Amerikaans onderzoeksteam met medewerking van professor dr. Dmitry Budker van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz heeft nu een geheel nieuwe benadering van het onderzoek voorgesteld ²²⁹D in detail. De onderzoekers willen thoriumionen gebruiken die slechts drie elektronen in hun schil hebben van de 90 aanwezig in een neutraal atoom.

Zo’n systeem biedt meerdere voordelen, melden de onderzoekers in het huidige nummer van het tijdschrift Enquête fysieke beoordeling, voornamelijk dat de eerste nucleaire overgang kan worden geëxciteerd met conventionele lasers in het zichtbare golflengtebereik. Dit vereist echter dat de ionen in een relativistische opslagring circuleren.

Een testlaboratorium voor de nieuwe natuurkunde

Het bijzondere aan thorium-229 is dat zijn atoomkern, in de metastabiele isomere toestand thorium-229m, verreweg het laagste aangeslagen energieniveau heeft van alle ongeveer 3.800 atoomkernen die tegenwoordig bekend zijn. Het is daarom de enige nucleaire overgang die mogelijk met een laser kan worden gesondeerd, zelfs zonder het gebruik van opslagringen. Extreem nauwkeurige meting van deze overgang van beide nucleaire staten opent veelbelovende en verschillende perspectieven.

Daartoe stellen onderzoekers onder leiding van Dmitry Budker nu een nieuwe aanpak voor – zowel wat betreft het “studieobject” als de experimentele omgeving: ze gebruiken hooggeladen ionen, of kortweg HCI, namelijk die waarin er nog maar drie elektronen over zijn. in de elektronenschil. In dergelijke sterk geladen thoriumionen opent de interactie tussen het elektron en de kern enkele nieuwe overgangen die kunnen worden gebruikt om de nucleaire isomere toestand effectief te ‘bevolken’.

Het idee is om deze thoriumionen te versnellen tot bijna de lichtsnelheid in een deeltjesversneller. Op deze manier ontwikkelen ze als het ware een hefboomeffect om ze zo efficiënt mogelijk te prikkelen met een conventionele laser en ze zo met grote precisie te kunnen bestuderen. Wat nog belangrijker is, is dat meerdere aangeslagen toestanden kunnen worden aangepakt en gebruikt om de isomere toestand van werkelijk belang in te vullen.

De meeste eerdere studies van thorium-229m hadden te maken met niet-relativistische atomen of ionen in lage-ladingstoestanden, die hoge eisen stellen aan de lichtbron die nodig is voor excitatie, omdat er een laser met extreem korte golflengte in het diepe UV-spectrum nodig is. “Het feit dat we in plaats daarvan een laser in het zichtbare – conventionele – golflengtebereik kunnen gebruiken, maakt spectroscopische studies eenvoudiger”, legt Dmitry Budker uit.

“Dat dit überhaupt mogelijk is, heeft te maken met het feit dat thoriumionen worden versneld tot bijna de snelheid van het licht. Vanwege relativistische effecten nemen ze een laserstraal die van voren op hen is gericht waar als een veel kortere golflengtebundel: voor hen, het conventionele laserlicht ziet eruit als een UV-laser, “voegt eerste auteur Junlan Jin toe, momenteel een doctoraatsstudent aan Princeton University, die eerder zeer nauw en succesvol samenwerkte met de groep van Dmitri Budker als onderdeel van een ex-afstandspraktijk.

In de huidige publicatie beschrijven de auteurs de verschillende stappen die nodig zijn om hun methode te implementeren: ze beginnen met het creëren van een versnellende straal van sterk geladen thoriumionen, met mogelijke versnellerringen in de in aanbouw zijnde FAIR-faciliteit bij GSI in Darmstadt, Duitsland. of de geplande Gamma-fabriek op CERN – de auteurs van de huidige publicatie over thorium zijn ook betrokken bij de conceptuele voorstellen voor het realiseren van zo’n ‘superlichtbron’.

Vervolgens bespreken ze in detail verschillende scenario’s om de grootst mogelijke excitatie van thoriumkernen te bereiken, voordat ze zich concentreren op de detectie van de geproduceerde aangeslagen toestanden en hun overdraagbaarheid naar vergelijkbare systemen.

De conclusie van het onderzoeksteam: volgens hun schatting kan de energie van de isomere toestand worden gemeten met een nauwkeurigheid beter dan 10^-4 of zelfs onder de 10^-6, dat is een orde van grootte verbetering van de huidige waarde. Dit zou de weg vrijmaken voor verdere verbeteringen bij het bepalen van de energie van de isomere toestand en helpen bij het beantwoorden van fundamentele natuurkundige vragen met behulp van het thoriumsysteem.

“De ontwikkeling van een nucleaire klok is niet zozeer de focus van ons voorstel, want voor de implementatie ervan brengt onze nieuwe methode verschillende technologische uitdagingen met zich mee”, voegt Dmitry Budker toe.

“Thorium is voor ons echter een hele grote ‘speeltuin’ om fundamentele natuurkundige vragen aan te pakken, een testlaboratorium voor nieuwe natuurkunde zeg maar. We willen bijvoorbeeld antwoord geven op de vraag of bepaalde fundamentele constanten van de natuur het misschien niet is zo stabiel, maar het verschuift of oscilleert met de tijd of met de locatie. Bovendien kan men zich tests van fundamentele symmetrieën voorstellen en zoeken naar deeltjes of velden die verder gaan dan het standaardmodel.”