O primeiro relógio nuclear começa a testar mudanças em constantes fundamentais
(quantamagazine.org)- Pesquisadores do JILA mediram a transição entre dois estados do núcleo atômico de tório-229 com precisão de 1 parte em 1 trilhão, praticamente encerrando uma busca de 50 anos pela frequência de laser da transição de um relógio nuclear
- O tório-229 é um caso peculiar em que mudanças na força eletromagnética e na força nuclear forte dentro do núcleo atômico quase se cancelam, permitindo induzir uma transição nuclear com pouca energia
- O resultado do JILA veio depois de uma equipe europeia em abril de 2024 e de um grupo da UCLA em julho, e esta medição é milhões de vezes mais precisa que as observações anteriores
- A transição do relógio nuclear é muito mais sensível que estados atômicos a mudanças em constantes fundamentais, mas possíveis variações podem estar no nível de 1 parte em 10 trilhões, exigindo novos avanços de precisão
- O relógio nuclear de tório-229 pode se tornar uma nova ferramenta experimental para verificar mudanças das leis da física ao longo do tempo previstas por modelos como axions de matéria escura ou teoria das cordas
Medição da transição do relógio nuclear de tório-229 pelo JILA
- Em uma noite de maio de 2024, Chuankun Zhang, doutorando do JILA, confirmou o sinal da transição de relógio nuclear em que o núcleo atômico de tório-229 passa de um estado a outro
- Após vários procedimentos de verificação, os pesquisadores concluíram que o sinal era uma transição nuclear real do tório-229
- Os resultados da medição do grupo de Jun Ye foram relatados na Nature em 4 de setembro de 2024
- É o terceiro resultado entre as observações da transição do tório-229 publicadas nos últimos 4 meses, após os resultados de pesquisadores da Alemanha e da Califórnia
- Esta medição é milhões de vezes mais precisa que os resultados anteriores, tendo o caráter de encerrar a longa busca pela frequência exata do laser que induz a transição do relógio nuclear
Por que o tório-229 é especial
- Relógios atômicos comuns usam o processo em que um elétron absorve um fóton, entra em estado excitado e depois retorna ao estado fundamental
- O comprimento de onda ajustado à transição do átomo de césio define hoje o padrão internacional de 1 segundo
- 1 segundo é definido como o tempo em que 9.192.631.770 desses comprimentos de onda passam por um ponto no espaço
- Núcleos atômicos também têm estados fundamental e excitado, mas prótons e nêutrons estão ligados com muito mais força que elétrons, de modo que normalmente são necessários fótons de energia muito mais alta, como raios gama
- O núcleo atômico de tório-229 é uma exceção, pois a energia necessária para a transição nuclear é muito baixa
- A força eletromagnética entre os prótons no núcleo tenta separar o núcleo, enquanto a força nuclear forte o mantém unido
- Na mudança de spin do nêutron mais externo do tório-229, as variações das duas forças se cancelam quase exatamente, tornando extremamente pequena a diferença de energia entre o estado excitado e o estado fundamental
- A transição é possível com cerca de 10.000 vezes menos energia que uma excitação nuclear típica
Material experimental vindo de um subproduto da Guerra Fria
- O tório-229 vem do decaimento do urânio-233, um subproduto da pesquisa de armas nucleares durante a Guerra Fria
- Os Estados Unidos produziram cerca de 2 toneladas de urânio-233 entre as décadas de 1950 e 1970, um material físsil de grau bélico considerado como alternativa ao urânio-235 e ao plutônio-239
- Em 1976, Larry Kroger e Charles Reich, do Idaho National Laboratory, ao estudarem a radiação emitida por resíduos líquidos de urânio-233, encontraram evidências indiretas de que o tório-229 tinha um estado nuclear excitado de energia muito mais baixa que a esperada
- Em 1990, Reich e colegas confirmaram, por meio de uma nova medição mais precisa, que a energia desse estado excitado era mais de 10 vezes menor do que se pensava inicialmente
- Transições nucleares normalmente exigem milhões de elétron-volts, mas a transição do tório-229 fica abaixo de 10 elétron-volts
- Essa faixa de energia está dentro do intervalo que lasers existentes conseguem entregar de forma estável e precisa
- Eric Hudson afirma que, em todos os diagramas de núcleos atômicos, esse caso existe apenas no tório-229
A ideia do relógio nuclear e a verificação de constantes fundamentais
- Em 2003, Ekkehard Peik e Christian Tamm propuseram um relógio nuclear usando tório-229
- Como o núcleo atômico é cercado pela nuvem de elétrons e fica blindado do mundo externo, um relógio baseado em tório-229 poderia ser menos sensível às interferências de fundo que afetavam os melhores relógios atômicos da época
- Victor Flambaum mostrou que um relógio sensível e isolado assim poderia ser usado para testar a constância da própria natureza
- As equações da física incluem cerca de 26 constantes fundamentais, como a velocidade da luz e a constante gravitacional
- Teorias como a teoria das cordas preveem que esses números podem variar de forma ínfima ao longo do tempo
- Um modelo popular de matéria escura considera que, se a matéria escura for composta por partículas ondulatórias chamadas axions, mudanças na densidade de axions conforme a localização poderiam fazer a intensidade de algumas forças aumentar e diminuir
- Mudanças na intensidade das forças podem alterar a energia dos estados do núcleo atômico
- A energia dos estados nucleares é determinada pelo processo de somar e subtrair as grandes forças eletromagnética e nuclear forte que atuam sobre prótons e nêutrons
- Como a transição do tório-229 tem uma diferença de energia muito pequena, pequenas mudanças nas forças podem aparecer de forma especialmente pronunciada
A corrida pela busca da frequência do laser
- No início, a estimativa da energia necessária para a transição do relógio nuclear era 1.000 vezes menos precisa que os comprimentos de onda de laser investigados pelos pesquisadores
- Os pesquisadores precisavam excluir, um a um, milhares de comprimentos de onda de laser, e o método de aprisionar alguns átomos de tório-229, disparar um laser e esperar por fótons inevitavelmente levaria tempo demais
- Seguindo a abordagem de Eric Hudson, vários grupos começaram a criar compostos cristalinos sólidos contendo tório em seu interior
- Um cristal pode conter não apenas alguns átomos, mas quatrilhões deles
- Isso permite descartar rapidamente muitos comprimentos de onda com um laser
- Em 2023, uma equipe do CERN criou tório-229 excitado por decaimento radioativo e abriu um caminho decisivo ao medir diretamente a tênue luz ultravioleta da transição do relógio nuclear em um ambiente mais silencioso
- O resultado do CERN reduziu muito o intervalo de busca, e em abril de 2024 uma equipe europeia relatou pela primeira vez ter sondado esse estado com laser
- O grupo de Hudson na UCLA também publicou sua descoberta em julho de 2024 na Physical Review Letters
- O grupo de Jun Ye no JILA obteve um dos cristais produzidos por Thorsten Schumm e vinha desenvolvendo um laser ultravioleta especial para transformar o tório-229 em um relógio nuclear
- Esse laser é usado para testar vários comprimentos de onda ao mesmo tempo em busca da transição
- O resultado do JILA tem o caráter de concluir as três descobertas paralelas com a medição de energia mais precisa
Por que é necessária uma precisão maior
- A energia dos estados nucleares do tório é muito mais sensível a mudanças em constantes fundamentais que qualquer estado atômico
- Atualmente, o grupo de Ye consegue medir a transição do relógio nuclear com precisão de 1 parte em 1 trilhão
- Para enxergar variações mais sutis que os níveis já descartados por relógios atômicos existentes, será necessária uma precisão maior
- Possíveis variações podem estar no nível de 1 parte em 10 trilhões, algo que Ye vê como uma questão de “vários anos” no futuro
- O tório-229, vindo de um antigo subproduto da Guerra Fria, pode se tornar uma ferramenta para buscar evidências de uma física mais profunda, ainda não descoberta, que sustenta o universo
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Mesmo que construam um relógio nuclear com isso e o desvio de Allan fique baixo o bastante para ser útil, acho que seria preciso observar por anos para coletar dados suficientes para medir uma diferença significativa e descobrir algo
Nesse meio-tempo, seria necessário compensar o efeito de mover o objeto apenas 1 cm para cima ou para baixo, a posição da Lua e todo tipo de outras fontes de ruído
Não tenho dúvida de que acabarão conseguindo, e imagino que será fascinante ouvir todo o processo depois
Enquanto esperamos, encontrei uma gravação de conferência no YouTube que explica da forma mais clara como funcionam os relógios atômicos em escala de chip: https://www.youtube.com/watch?v=wHYvS7MtBok
Um dia, também espero ver relógios de rede óptica em escala de chip
Além disso, como o custo de implantação parece muito menor do que o de hardware de interferômetro, parece viável espalhar réplicas em número suficiente pelo mundo para compensar fontes locais de ruído
É interessante juntar a parte que diz “há transições de spin semelhantes em muitos núcleos atômicos, mas só no tório-229 esse cancelamento é quase perfeito” com a parte de que “as constantes físicas podem, na verdade, não ser constantes”
Se as constantes físicas mudam com o tempo, talvez o tório-229 não seja especial, mas apenas o isótopo em que, neste momento, a repulsão elétrica e a força nuclear forte por acaso se equilibram
Daqui a 1 bilhão de anos, talvez outro elemento assuma esse papel; e talvez tenhamos sorte de viver numa época em que um isótopo de um elemento existente se encaixa perfeitamente
O momento ou lugar ideal em que as duas forças se equilibram exatamente pode já ter existido ou ainda estar por vir, e esse pode ser o cenário ideal para medir com precisão mudanças nas constantes. Assim como um eclipse foi uma boa oportunidade para verificar a deflexão da luz pela gravidade
Ainda assim, há números como a constante de estrutura fina que parecem difíceis ou impossíveis de derivar de outros valores. A explicação que encontrei na divulgação científica é o princípio antrópico: esses valores precisam ser assim para que alguém possa fazer essa pergunta
Não sei bem como os cientistas de fato veem isso
A interação eletromagnética que produz as forças comuns também está ligada à velocidade da luz, e o mesmo vale para todo o resto
Outras constantes podem mudar, mas seria extremamente surpreendente se a velocidade da luz observada localmente pudesse mudar
Se a ideia é que números como a velocidade da luz ou a constante gravitacional determinam como o universo funciona, mas talvez não sejam constantes de fato, então, para alguém que não é físico, a gravidade sempre pareceu uma força que poderia variar
Talvez isso pudesse oferecer uma explicação alternativa para o problema da matéria escura ausente, ou para o motivo de muitos seres vivos na Terra terem sido maiores há centenas de milhões de anos. Claro, como me falta formação em física, posso acabar criando contradições ao tentar explicar os dois fenômenos juntos
O texto diz que há 26 constantes, mas olhando https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_physical_constants parece haver mais
E, no caso de constantes que são razões, como a constante de estrutura fina, mesmo que houvesse uma mudança real, acho que ela não poderia ser detectada se a razão permanecesse igual. É parecido com π, que também é uma razão e permaneceria igual
Além disso, não existe um conjunto fixo específico de 26. Usar 1/c como constante em vez de c é igualmente válido, e qualquer equação pode ser ajustada para usar 1/c no lugar de c
No caso das razões, verificar se essa razão é realmente constante é justamente o objetivo do teste
Sempre me pareceu uma espécie de erro lógico que, para medir uma constante, seja necessário algo constante, mas, se não há outra constante com a qual compará-la, não dá para saber o que é constante
No fim, só podemos supor que algo é constante; talvez, na realidade, seja apenas algo que parece constante
Ler o trabalho do físico Julian Barbour sobre o tempo pode trazer insights bastante surpreendentes. É a perspectiva de que “o tempo surge da mudança”: https://www.youtube.com/watch?v=GoTeGW2csPk
Ao mudar a temperatura, ambos mudam de tamanho, mas, medindo os dois em várias temperaturas, é possível obter a razão entre os dois coeficientes de expansão térmica
Curiosamente, se você estiver usando um termômetro de mercúrio, na prática estará medindo tudo em relação ao coeficiente de expansão térmica do mercúrio
Se as constantes fundamentais não forem sempre verdadeiras, a matéria em outras galáxias se comportaria de forma diferente da matéria na nossa galáxia. Às vezes discuto isso, mas as outras pessoas continuam dizendo que, como os comprimentos de onda são iguais, todo o resto também deve ser igual
Pelo que me lembro, isso já foi estudado, mas não consigo encontrar as referências agora
Então será que matéria escura e energia escura realmente existem, ou nosso entendimento das leis do universo é incompleto?
Se as constantes fundamentais eram diferentes no passado, isso poderia aparecer apenas como uma mudança nas distâncias que medimos
Se as constantes fundamentais podem variar, acho que isso não violaria a conservação de energia e a segunda lei da termodinâmica?
Acho que alguém disse que “se a sua teoria viola a segunda lei da termodinâmica, não há esperança”; há algo que estou deixando passar?
Isso porque não há muita gente que aprende cinemática física, por exemplo, até o nível do volume 10 de Landau
Não é difícil imaginar uma situação em que a energia de um sistema fechado mude, mas não a ponto de a entropia total diminuir. Por exemplo, isso poderia acontecer se a energia de um sistema fechado diminuísse
Algumas coisas podem parecer incrivelmente constantes, mas talvez precisem ser medidas em escalas de tempo absurdamente pequenas ou grandes, tornando-as na prática quase impossíveis de medir
Ainda é uma questão em certa medida em aberto se a constante gravitacional G é realmente uma constante
Além disso, o resultado muda dependendo de se você usa tempo atômico ou tempo dinâmico. Usando tempo dinâmico, não se mede variação com os retrorefletores lunares a laser
Talvez seja uma pergunta boba, mas como se julga a exatidão do relógio mais preciso? Não é que não há nada mais preciso com o que compará-lo?
Provavelmente o que se queria dizer era a hipótese de um único elétron. É uma ideia divertida porque o diagrama de Feynman de um antielétron parece um elétron indo para trás no tempo
Então dá para imaginar um único elétron saltando para frente e para trás no tempo, criando uma linha de mundo emaranhada, e às vezes o observamos como um antielétron
Como não há antifóton, esse método não funciona para fótons
De qualquer forma, é uma ideia interessante, que dá aquele momento de “uau!” que Feynman sabia produzir tão bem, mas não parece ser levada a sério como teoria
Tanto experimentalmente quanto na melhor teoria disponível, essas partículas são literalmente idênticas, exceto por um sinal de menos na variável temporal
E isso também se aplica aos fótons. O antifóton existe e é o próprio fóton. O fóton é uma partícula simétrica sob reversão temporal
Feynman refutou a ideia imediatamente apontando que há mais elétrons do que pósitrons