Weizmann Elm İnstitutu tərəfindən

Gaby Clark tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriTorium-229 radioaktiv elementinin atomlarını ehtiva edən flüorit kristalı. Almaniya Milli Metrologiya İnstitutunda (PTB) atom nüvələrinin udma spektrini dəqiq ölçmək üçün istifadə edilmişdir. Keçmişdə tədqiqatçılar hər təcrübədə az sayda atom nüvəsini tutmalı və hər dəfə bir radiasiya tezliyi ilə sınaqdan keçirməli idilər ki, bu da dəqiq ölçmələri çox vaxt apardı. PTB təcrübəsində tədqiqatçılar təxminən bir katrilyon (min trilyon) atomu olan bir kristaldan istifadə etdilər ki, bu da yüksək dəqiqlikli lazer şüalarından istifadə etməklə bir çox ölçmələrin eyni vaxtda aparılmasına imkan verdi. Kredit: PTB

Təxminən bir əsrdir ki, dünyanın hər yerindən elm adamları qaranlıq maddəni – kainatın kütləsinin təxminən 80%-ni təşkil etdiyinə inanılan və müxtəlif fiziki hadisələri izah etmək üçün lazım olan görünməz maddəni axtarırlar. Qaranlıq maddəni aşkar etmək cəhdlərində onu hissəcik sürətləndiricilərində istehsal etməyə çalışmaqdan tutmuş kosmosda buraxa biləcəyi kosmik radiasiyanın axtarışına qədər çoxsaylı üsullardan istifadə edilmişdir.

Hələ bu gün də bu maddənin əsas xüsusiyyətləri haqqında çox az şey məlumdur. Arxa planda işləməsinə baxmayaraq, qaranlıq maddənin görünən maddəyə təsir etdiyinə inanılır, lakin o qədər incə üsullarla onları birbaşa ölçmək mümkün deyil.

Alimlər hesab edirlər ki, nüvə saatı yaradılarsa, yəni atom nüvəsindən vaxtı son dərəcə dəqiqliklə ölçən saat yaradılarsa , hətta onun tıqqıltısındakı ən kiçik pozuntular belə qaranlıq maddənin təsirini aşkar edə bilər. Keçən il Almaniya və Kolorado fizikləri torium-229 radioaktiv elementindən istifadə edərək belə bir saatın yaradılması istiqamətində irəliləyiş əldə etdilər.

Weizmann Elm İnstitutunda professor Gilad Perezin nəzəri fizika qrupunun tədqiqatçıları bu nailiyyətdən xəbər tutduqda, hətta tam işlək nüvə saatı reallığa çevrilməmişdən əvvəl qaranlıq maddənin axtarışını inkişaf etdirmək üçün yeni fürsəti dərk etdilər. Alman komandası ilə əməkdaşlıq edərək, onlar bu yaxınlarda Physical Review X-də qaranlıq maddənin torium-229 nüvəsinin xüsusiyyətlərinə təsirini aşkar etmək üçün yeni bir üsul təklif edən bir araşdırma dərc etdilər .

Uşağı yelləncəkdə itələmək hamar, ardıcıl hərəkəti saxlamaq üçün düzgün vaxt tələb etdiyi kimi, atom nüvəsi də fizikada rezonans tezliyi kimi tanınan optimal salınım tezliyinə malikdir . Məhz bu tezlikdə radiasiya nüvənin iki kvant vəziyyəti arasında sarkaç kimi “yellənməsinə” səbəb ola bilər: əsas vəziyyət və yüksək enerji vəziyyəti. Əksər materiallarda bu rezonans tezliyi yüksəkdir, nüvəni həyəcanlandırmaq üçün güclü şüalanma tələb olunur.

Lakin 1976-cı ildə elm adamları ABŞ nüvə proqramının əlavə məhsulu olan torium-229-un nadir bir istisna olduğunu aşkar etdilər. Onun təbii rezonans tezliyi nisbətən zəif ultrabənövşəyi radiasiyadan istifadə edərək standart lazer texnologiyası ilə idarə oluna biləcək qədər aşağıdır. Bu, torium-229-u nüvə saatının inkişafı üçün perspektivli bir namizəd etdi, bu zaman nüvənin kvant halları arasında ənənəvi saatda sarkaç kimi “yelləndiyi” ilə ölçülür.

Lakin alimlər torium-229-un rezonans tezliyini son dərəcə dəqiqliklə ölçməyə çalışdıqları ilk mərhələdə nüvə saatında irəliləyiş dayandı. Nüvənin rezonans tezliyini müəyyən etmək üçün fiziklər onun üzərində müxtəlif tezliklərdə lazer işıqlandırır və kvant halları arasında keçid zamanı onun nə qədər enerji udduğunu və ya yaydığını müşahidə edirlər. Bu nəticələrdən onlar udma spektri qururlar və pik udmaya səbəb olan tezlik nüvənin rezonans tezliyi kimi qəbul edilir.

Təxminən beş onillik ərzində elm adamları torium-229-un rezonans tezliyini nüvə saatı yaratmaq üçün kifayət qədər dəqiqliklə ölçə bilmədilər, lakin keçən il iki böyük irəliləyiş əldə etdilər. Əvvəlcə Almaniya Milli Metrologiya İnstitutunda (PTB) bir qrup nisbətən dəqiq ölçmələr dərc etdi . Bir neçə ay sonra Kolorado Universitetindən bir qrup bir neçə milyon dəfə daha dəqiq nəticələr çıxardı.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Perez deyir: “Nüvə saatı yaratmaq üçün hələ də daha yüksək dəqiqliyə ehtiyacımız var, lakin biz artıq qaranlıq maddəni öyrənmək üçün bir fürsət müəyyən etmişik.Kredit: J. Terhune/UCLA

“Yalnız görünən maddədən ibarət olan kainatda hər hansı bir materialın fiziki şəraiti və udma spektri sabit qalacaq. Lakin qaranlıq maddə bizi əhatə etdiyinə görə, onun dalğaya bənzər təbiəti atom nüvələrinin kütləsini incə şəkildə dəyişdirə və onların udma spektrində müvəqqəti dəyişikliklərə səbəb ola bilər. Biz fərz etdik ki, udma spektrində böyük sapma və ya udma29-un kiçik sapmalarını aşkar etmək qabiliyyəti. qaranlıq maddənin təsirini aşkar edə və onun xassələrini öyrənməyimizə kömək edə bilər”.

Perez qrupundan Dr. Volfram Ratzinger və digər postdoktorluq yoldaşlarının rəhbərlik etdiyi komandanın apardığı nəzəri hesablamalar göstərdi ki, yeni ölçmələr qaranlıq maddənin cazibə qüvvəsindən 100 milyon dəfə zəif olsa belə təsirini aşkar edə bilər.

Ratzinger deyir: “Bu, hələ heç kimin qaranlıq maddəni axtarmadığı bir bölgədir”. “Hesablamalarımız göstərir ki, təkcə rezonans tezliyində dəyişiklikləri axtarmaq kifayət deyil. Biz qaranlıq maddənin təsirini aşkar etmək üçün bütün udma spektri üzrə dəyişiklikləri müəyyən etməliyik.

“Hələ ki, bu dəyişiklikləri tapmasaq da, onların nə zaman göründüyünü başa düşmək üçün zəmin yaratmışıq. Bir sapma aşkar etdikdən sonra onun intensivliyindən və göründüyü tezlikdən məsul olan qaranlıq maddə hissəciyinin kütləsini hesablamaq üçün istifadə edə biləcəyik.

“Daha sonra tədqiqatda biz müxtəlif qaranlıq maddə modellərinin torium-229-un udma spektrinə necə təsir edəcəyini də hesabladıq. Ümid edirik ki, bu, son nəticədə hansı modellərin dəqiq olduğunu və əslində hansı qaranlıq maddədən ibarət olduğunu müəyyən etməyə kömək edəcək.”

Bu arada, dünya üzrə laboratoriyalar torium-229-un rezonans tezliyinin ölçülməsini təkmilləşdirməyə davam edir, bu prosesin illərlə çəkəcəyi gözlənilir. Əgər nüvə saatı nəhayət inkişaf etdirilərsə, o, Yer və kosmosda naviqasiya, rabitə, elektrik şəbəkələrinin idarə edilməsi və elmi tədqiqatlar da daxil olmaqla bir çox sahədə inqilab edə bilər.

Bu gün ən dəqiq vaxt ölçən cihazlar iki kvant vəziyyəti arasında elektronların salınmasına əsaslanan atom saatlarıdır. Bunlar çox dəqiqdir, lakin onların bir əhəmiyyətli çatışmazlığı var: Onlar ətraf mühitdən elektrik müdaxiləsinə həssasdırlar və bu, onların tutarlılığına təsir göstərə bilər. Atomların nüvələri, əksinə, bu cür pozuntulara daha az həssasdırlar.

“Qaranlıq maddəyə gəldikdə,” Perez deyir, “torium-229 əsaslı nüvə saatı son detektor olardı. Hal-hazırda elektrik müdaxiləsi axtarışda atom saatlarından istifadə etmək qabiliyyətimizi məhdudlaşdırır.

“Ancaq nüvə saatı bizə qaranlıq maddənin təsirini aşkar edə biləcək inanılmaz dərəcədə cüzi sapmaları, yəni rezonans tezliyində kiçik sürüşmələri aşkar etməyə imkan verəcək. Hesab edirik ki, bu, bizə cazibə qüvvəsindən 10 trilyon dəfə zəif qüvvələri aşkar etməyə imkan verəcək və qaranlıq maddəni hal-hazırda axtarışımızda əldə etdiyimizdən 100.000 dəfə daha yaxşı həll edəcək .”

Daha çox məlumat: Elina Fuchs və başqaları, Lazer Spektroskopiyasından Th229 Nüvə Xətti Şəkli ilə Qaranlıq Maddənin Axtarılması, Fiziki Baxış X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.021055

Jurnal məlumatı: Physical Review X 

Weizmann Elm İnstitutu tərəfindən təmin edilmişdir