Un gruppo di ricercatori internazionali sta migliorando la misurazione del tempo di precisione sviluppando un orologio nucleare utilizzando isotopi di torio e metodi laser innovativi, trasformando potenzialmente la nostra comprensione delle costanti fisiche e della materia oscura.
Orologio nucleare: un progetto di ricerca internazionale
Un modo nuovo e più preciso di misurare il tempo è l’obiettivo di un progetto di ricerca internazionale a cui è coinvolta la fisica di Würzburg Adriana Pálffy-Buß. I risultati potrebbero anche aiutare nella ricerca della materia oscura.
Il sistema di navigazione globale GPS, il traffico dati digitale nella rete telefonica, la misurazione della terra dai satelliti: tutte queste tecnologie non funzionerebbero senza cronometristi precisi. Pochi miliardesimi di secondo sono cruciali affinché i risultati siano corretti. Anche la scienza – e soprattutto la fisica – dipendono da orologi estremamente precisi se si vuole scoprire, ad esempio, di cosa è fatta la materia oscura.
Una base fondamentalmente nuova per un orologio nucleare di così alta precisione è al centro di un progetto di ricerca internazionale che è stato ora approvato. Alla fine del 2023, il Fondo austriaco per la scienza FWF ha creato a questo scopo una cosiddetta “Area di ricerca speciale”, paragonabile a un Centro di ricerca collaborativa della Fondazione tedesca per la ricerca (DFG).
Nei prossimi quattro anni, un team di ricercatori d’élite provenienti da diverse Università e istituti di ricerca unirà le proprie forze per portare avanti il progetto dell’orologio nucleare al torio, che è stato finanziato con 3,1 milioni di euro. Il progetto sarà guidato dalla professoressa Adriana Pálffy-Buß, esperta di fama internazionale in ottica quantistica a raggi X. La professoressa Pálffy-Buß ha assunto la cattedra di Informazione quantistica teorica e Ottica quantistica presso la JMU all’inizio del 2022. Con il suo gruppo di ricerca, conduce ricerche all’avanguardia nel campo dell’ottica quantistica e dei materiali quantistici.
Orologio nucleare al torio: verso una precisione 3 volte superiore
I ricercatori guidati da Oliver Heckl dell’Università di Vienna vogliono aumentare la precisione di misurazione dei metodi fisici nella speciale area di ricerca ‘Metrologia coerente oltre le transizioni dei dipoli elettrici’. Verrà quindi utilizzato un metodo innovativo che utilizza la luce con momento angolare orbitale. Cosa significa questo?
Adriana Pálffy-Buß ha spiegato: “I cronometristi più precisi oggi sono gli orologi atomici, che misurano il tempo in base alla frequenza delle transizioni che gli elettroni compiono tra i diversi livelli energetici di un atomo. Nel nostro progetto vogliamo utilizzare un laser a banda stretta di nuova concezione per far saltare un nucleo atomico tra i livelli energetici ed emettere fotoni, cioè particelle di luce. Un orologio nucleare di questo tipo potrebbe aumentare la precisione della misurazione di circa 3 volte”.
Il gruppo di ricerca si sta concentrando su un isotopo dell’elemento torio. Il nucleo di torio in questione ha 229 elementi costitutivi nucleari – protoni e neutroni – e può raggiungere uno stato eccitato che è solo circa otto elettronvolt più energetico del suo stato energetico più basso, il cosiddetto stato fondamentale.
La Professoressa Pálffy-Buß ha sottolineato come la differenza di energia tra i due stati del torio-229 sia “così piccola per gli standard della fisica nucleare” da essere stata quasi impercettibile all’epoca della sua prima osservazione. Eppure, è proprio questa minuscola discrepanza che apre la strada a una rivoluzionaria “misurazione del tempo nucleare”.
Nel 2023, un esperimento ha finalmente dimostrato la fattibilità di questo approccio, misurando con successo il salto quantico del torio-229 dallo stato eccitato allo stato fondamentale e l’emissione di un fotone associato.
Orologio nucleare: sfide e ostacoli verso una nuova era di precisione
L’idea di utilizzare il torio-229 per creare un orologio nucleare di precisione è affascinante, ma la sua realizzazione non è semplice come sparare un laser agli atomi di torio e catturare i fotoni emessi. Uno dei motivi: “Per eccitare il nucleo sono necessari circa otto elettronvolt. Tuttavia, sei elettronvolt sono sufficienti per rimuovere l’elettrone più esterno dalla sua orbita. In questo caso il nucleo eccitato preferisce trasferire la sua energia in eccesso all’elettrone invece di emettere un fotone. Questo però va evitato”, ha spiegato il team.
La soluzione a questo problema potrebbe essere quella di incorporare atomi di torio in speciali cristalli trasparenti. Pálffy-Buß ha affermato: “Gli esperimenti corrispondenti hanno dimostrato che il torio si trova nel reticolo cristallino in uno stato ionico, ovvero cede il suo elettrone esterno”. Il cristallo può anche ospitare molti nuclei di torio contemporaneamente, il che rende più facile rilevare il fotone cercato.
Ad oggi, tuttavia, non esiste un laser con la precisione necessaria per innescare l’effetto desiderato. Il gruppo di ricerca austro-tedesco si sta affidando quindi al già citato “metodo innovativo che utilizza la luce con momento angolare orbitale”. Questo è anche chiamato fascio di luce attorcigliata o vortice.
In termini molto semplificati, in questo metodo gli impulsi laser non colpiscono gli atomi di torio come un “muro di energia”. Assomigliano invece a una sorta di cavatappi rotante e quindi hanno maggiori probabilità di portare i nuclei atomici nello stato eccitato desiderato.
In qualità di esperta di fisica teorica, Adriana Pálffy-Buß supporterà il progetto di ricerca principalmente con i suoi calcoli: “Progetto e simulo ciò che accadrebbe in varie configurazioni sperimentali e propongo ciò che funzionerebbe meglio”.
Per i fisici questo progetto di ricerca è estremamente entusiasmante. Pálffy-Buß ha concluso: “Un orologio nucleare consentirebbe di indagare concetti che normalmente vengono dati per scontati, come la questione se le costanti fisiche fondamentali siano davvero costanti. Potrebbe anche aiutare a rispondere alla domanda di cosa è fatta la materia oscura. A causa delle interazioni fondamentali che svolgono un ruolo nelle transizioni nucleari, l’orologio nucleare è in una posizione unica per rispondere a tali domande”.
