2024 yılında TU Wien dünyanın ilk nükleer saatini sundu. Artık teknolojinin temel fizikteki çözülmemiş soruları araştırmak için de kullanılabileceği kanıtlandı.
Toryum atom çekirdekleri çok spesifik hassas ölçümler için kullanılabilir. Onlarca yıldır bundan şüpheleniliyordu ve uygun atom çekirdeği durumlarının araştırılması dünya çapında devam ediyordu. 2024 yılında TU Wien’den bir ekip, uluslararası ortakların desteğiyle belirleyici bir atılım gerçekleştirdi: uzun süredir tartışılan toryum nükleer geçişi bulundu. Kısa bir süre sonra toryumun gerçekten de yüksek hassasiyetli nükleer saatler inşa etmek için kullanılabileceği gösterildi.
Artık toryum çekirdeği üzerine yapılan yüksek hassasiyetli araştırmalarda bir sonraki büyük başarı elde edildi: Toryum çekirdeği farklı durumlar arasında değiştiğinde, eliptik şeklini hafifçe değiştirir.
Bu aynı zamanda çekirdekteki protonların dağılımını da değiştirir, bu da çekirdeğin elektrik alanını değiştirir. Bu o kadar hassas bir şekilde ölçülebilir ki, fizikteki en önemli doğal sabitlerden biri olan ince yapı sabitinin her zamankinden daha iyi araştırılmasına olanak tanır. Bu artık doğanın temel sabitlerinin gerçekte ne kadar sabit olduğu sorusunu araştırmayı mümkün kılıyor.
Çalışma dergide yayınlandı Doğa İletişimi.
Elektromanyetik kuvvetin gücü
TU Wien Atom ve Atomaltı Fizik Enstitüsü’nden Prof. Thorsten Schumm, “Bildiğimiz kadarıyla doğada yalnızca dört temel kuvvet vardır: yerçekimi, elektromanyetizma ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler” diyor. “Her temel kuvvete, diğerlerine kıyasla gücünü tanımlayan temel bir sabit atanır.”
Yaklaşık 1/137 değerindeki ince yapı sabiti, elektromanyetik etkileşimin gücünü belirler. Eğer farklı olsaydı, yüklü parçacıklar farklı davranır, kimyasal bağlar farklı çalışır ve ışık ile madde farklı şekilde etkileşime girerdi.
Schumm, “Normalde bu tür sabitlerin evrensel olduğunu, evrenin her zaman ve her yerinde aynı değere sahip olduklarını varsayarız” diyor.
“Ancak, ince yapı sabitinin küçük bir miktar kadar yavaşça değiştiğini ve hatta periyodik olarak salındığını öngören teoriler de var. Bu, fizik anlayışımızda tamamen devrim yaratacaktır; ancak bunu bulmak için, ince yapı sabitindeki değişiklikleri son derece hassas bir şekilde ölçebilmemiz gerekiyor. Toryum atom saatimiz şimdi bunu ilk kez mümkün kılıyor.”
Farklı atom çekirdeği durumları – farklı elektrik alanları
Toryum atom çekirdeği iki farklı durumu üstlenebilir: az enerjili temel durum ve biraz daha yüksek enerjili uyarılmış durum. Bu iki enerji değeri arasındaki fark, nükleer saatin de temelini oluşturan son derece yüksek doğrulukla ölçülebilir.
Schumm, “Atom çekirdeği durumunu değiştirdiğinde şekli ve bununla birlikte elektrik alanı da değişir” diye açıklıyor. “Özellikle alanın dört kutuplu bileşeni değişir; bu, elektrik alanının şeklinin puro gibi daha uzun mu yoksa mercimek gibi daha ezilmiş mi olduğunu tanımlayan bir sayıdır.”
Bu değerin ne kadar değişeceği ince yapı sabitine bağlıdır. Bu toryum geçişini hassas bir şekilde gözlemleyerek, ince yapı sabitinin gerçekte bir sabit olup olmadığını veya biraz değişip değişmediğini ölçmek mümkündür.
Deney için toryum içeren kristaller TU Wien’de (Viyana) üretildi ve lazer spektroskopi ölçümleri daha sonra Boulder, Colorado’da gerçekleştirildi. Schumm, “Metodumuzu, ince yapı sabitindeki değişiklikleri önceki yöntemlere göre üç kat daha kesin olarak, yani altı bin kat daha kesin olarak tespit edebildiğini gösterebildik” diyor.
“Bu, keşfettiğimiz toryum geçişinin yalnızca yeni nesil yüksek hassasiyetli saatler oluşturmak için kullanılamayacağını, aynı zamanda daha önce deneysel olarak erişilemeyen yeni fizik araştırmalarına da olanak sağladığını gösteriyor.”
