ISOLDE, un passo avanti verso un innovativo orologio nucleare

Gli orologi atomici sono i cronometri più precisi al mondo. Si basano su transizioni periodiche tra due stati elettronici di un atomo e possono seguire lo scorrere del tempo con una precisione di una parte su un quintilione.

Ciò significa che non perderanno o guadagneranno un secondo nell’arco di 30 miliardi di anni, più del doppio dell’età dell’Universo.

In un articolo pubblicato su “Nature”, un team internazionale della struttura di fisica nucleare del CERN, l’ISOLDE, riferisce di un passo fondamentale verso la costruzione di un nuovo tipo di orologio, che si baserebbe su una transizione periodica tra due stati di un nucleo atomico: quello di un isotopo dell’elemento torio-229.

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Nuovo strumento sensibile con cui ricercare fenomeni al di là del “Modello Standard” subatomico

Un orologio nucleare di questo tipo potrebbe essere più preciso degli attuali orologi atomici, grazie alle diverse dimensioni e ai diversi costituenti di un nucleo rispetto a quelli di un atomo.

Inoltre, potrebbe servire come strumento strumento sensibile con cui ricercare nuovi fenomeni al di là del “Modello Standard”, attualmente la migliore descrizione del mondo subatomico.

Per esempio, potrebbe consentire ai ricercatori di cercare le variazioni nel tempo delle costanti fondamentali della natura e anche la materia oscura ultraleggera.

Fin dal 2003, quando Ekkehard Peik e Christian Tamm proposero un orologio nucleare basato sulla transizione tra lo stato fondamentale del nucleo di torio-229 e il primo stato superiore a più alta energia (chiamato isomero), i ricercatori hanno fatto a gara per osservare e caratterizzare questa transizione nucleare.

In questi due decenni, hanno misurato con sempre maggiore precisione l’energia dell’isomero, il cui valore esatto è richiesto per sviluppare laser che guidino la transizione verso questo elemento.

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Incorporando isotopi in cristalli di fluoruro di calcio o di magnesio, misurazioni 7 volte più precisi

Nonostante i molti sforzi, i ricercatori non sono riusciti a osservare la luce emessa nella transizione dall’isomero allo stato fondamentale.

Questo fenomeno, noto nel linguaggio dei fisici nucleari come decadimento radiativo dell’isomero, che ha un tempo di vita relativamente lungo, è un ingrediente chiave per lo sviluppo di un orologio nucleare, perché permetterebbe, tra l’altro, di determinare con maggiore precisione l’energia dell’isomero.

Un team che lavora all’ISOLDE ha ora raggiunto questo obiettivo producendo nuclei di torio-229 allo stato isomerico in un modo innovativo e indagando sui nuclei con una tecnica chiamata spettroscopia nel vuoto ultravioletto.

La lunghezza d’onda della luce osservata corrisponde all’energia dell’isomero di 8,338 elettronvolt (eV) con un’incertezza di 0,024 eV. Si tratta di un valore sette volte più preciso delle precedenti misurazioni.

Il successo del team consiste nella produzione di nuclei isomerici di torio-229 attraverso il cosiddetto decadimento beta dell’attinio-229, che sono prodotti all’ISOLDE e incorporati nel fluoruro di calcio o di magnesio.

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Sandro Kraemer: “I sistemi a stato solido sono uno dei due contesti con cui costruire il sistema”

“L’ISOLDE è attualmente una delle due sole strutture al mondo in grado di produrre isotopi di attinio-229”, spiega l’autore principale dell’articolo, Sandro Kraemer.

“Incorporando questi isotopi in cristalli di fluoruro di calcio o di magnesio, abbiamo prodotto molti più nuclei isomerici di torio-229 e abbiamo aumentato le nostre possibilità di osservare il loro decadimento radiativo”.

Il nuovo approccio alla produzione di nuclei di torio-229 ha anche reso possibile determinare il tempo di vita dell’isomero nel cristallo di fluoruro di magnesio.

La conoscenza di questo tempo di vita è necessaria per prevedere la precisione di un orologio nucleare al torio-229, basato su questo sistema allo stato solido. La vita misurata, pari a 16,1 minuti con un’incertezza di 2,5 minuti, conferma la durata teorica del di 2,5 minuti e indica che la precisione di un orologio è competitiva con quella degli attuali orologi atomici più precisi.

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A Ginevra il CERN, uno dei laboratori più importanti al mondo per la fisica delle particelle

Il CERN, Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, è uno dei laboratori più importanti al mondo per la fisica delle particelle.

L’Organizzazione  è situata al confine tra Francia e Svizzera, con sede a Ginevra. I suoi Stati membri sono: Austria, Belgio, Bulgaria, Repubblica Ceca, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Israele, Italia, Paesi Bassi, Norvegia, Polonia, Portogallo, Romania, Serbia, Slovacchia, Spagna, Svezia, Ungheria, Svizzera e Regno Unito.

Cipro, Estonia e Slovenia sono Nazioni membre associate in fase di pre-adesione.
Croazia, India, Lettonia, Lituania, Pakistan, Turchia e Ucraina sono Paesi membri associati.

Il Giappone e gli Stati Uniti d’America hanno attualmente lo status di osservatori, così come l’Unione Europea e l’UNESCO. Lo status di osservatore della Federazione Russa e del JINR è sospeso in conformità con le risoluzioni del Consiglio del CERN dell’8 marzo 2022 e del 25 marzo 2022.

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