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Oct 02, 2023

Investigadores alemanes nos acercan un paso más a la fabricación de relojes nucleares

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Una colaboración entre investigadores de varios institutos en Alemania nos ha acercado un paso más a la construcción del primer reloj nuclear. En experimentos llevados a cabo en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), los investigadores miden la desintegración radiativa del isómero nuclear torio-229, el primer ejemplo de haber logrado esta hazaña y un componente crítico para construir relojes nucleares.

Durante años, los relojes atómicos han sido nuestro estándar de precisión cuando se trata de relojes. Los mejores relojes atómicos ópticos tienen una tasa de precisión de 10-18, lo que equivale a una imprecisión de un segundo cada 30 mil millones de años.

Se espera que un reloj óptico nuclear sea al menos 10 veces más preciso. Si bien se propuso por primera vez hace más de dos décadas, los investigadores solo han podido hacer algunos avances en su dirección después de algunos hallazgos importantes en los últimos años.

Según un comunicado de prensa de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, el descubrimiento que causó gran revuelo en los círculos científicos fue la detección directa del isómero torio-229. Un isómero es un átomo cuyo núcleo se encuentra en un estado de mayor energía. Esto se puede lograr usando luz de una frecuencia específica.

Para los relojes atómicos, los investigadores usan la frecuencia de la luz utilizada para invocar las transiciones en el átomo como una medida de tiempo. Para los relojes nucleares, sin embargo, se utiliza únicamente la frecuencia de la luz utilizada para excitar el núcleo atómico. Dado que el núcleo atómico es una estructura más compacta y tiene pequeños momentos electromagnéticos, es menos susceptible a la interferencia externa.

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Cuando el isómero vuelve a su estado fundamental, emite un fotón, un proceso que los científicos denominaron decaimiento radiativo, que es crucial para la medición. Sin embargo, los investigadores no habían logrado medir previamente la descomposición con precisión. Este obstáculo se superó recientemente gracias a un esfuerzo de colaboración de investigadores de varias organizaciones de investigación alemanas.

Los experimentos se llevaron a cabo en las instalaciones de ISOLDE en el CERN, donde se implantaron átomos de actinio-229 en cristales de fluoruro de calcio o fluoruro de magnesio y se dejaron descomponer en torio-229. El equipo de investigación midió fotones con una longitud de onda ultravioleta de 148 nm y una energía de transición de 8,338 electronvoltios.

Esta es la medida más precisa de la energía del isómero y la precisión ha mejorado en un factor de siete en comparación con los resultados anteriores, afirman los investigadores. Se necesita mucho más trabajo antes de que se pueda construir un reloj nuclear, pero la investigación muestra que el torio-229 es nuestra mejor apuesta para construir uno.

Los resultados de la investigación se publicaron en la revista Nature.

Resumen del estudio:

​​El radionúclido torio-229 presenta un isómero con una energía de excitación excepcionalmente baja que permite la manipulación directa con láser de los estados nucleares. Constituye uno de los principales candidatos para su uso en relojes ópticos de próxima generación. Este reloj nuclear será una herramienta única para realizar pruebas precisas de la física fundamental. Mientras que la evidencia experimental indirecta de la existencia de un estado nuclear tan extraordinario es sustancialmente más antigua, la prueba de la existencia se ha entregado recientemente al observar la descomposición de la conversión de electrones del isómero. Se han medido la energía de excitación del isómero, el espín nuclear y los momentos electromagnéticos, el tiempo de vida de conversión de electrones y la energía refinada del isómero. A pesar de los avances recientes, la desintegración radiativa del isómero, un ingrediente clave para el desarrollo de un reloj nuclear, permaneció sin observarse. Aquí informamos la detección de la descomposición radiativa de este isómero de baja energía en el torio-229 (229mTh). Mediante la realización de espectroscopia ultravioleta de vacío de 229mTh incorporados en cristales de CaF2 y MgF2 de gran banda prohibida en las instalaciones de ISOLDE en el CERN, se miden fotones de 8,338(24) eV, de acuerdo con mediciones recientes y la incertidumbre se reduce en un factor de siete. Se determina que la vida media de 229mTh integrado en MgF2 es de 670(102) s. La observación del decaimiento radiativo en un cristal de gran banda prohibida tiene importantes consecuencias para el diseño de un futuro reloj nuclear y la mejora de la incertidumbre de la energía facilita la búsqueda de la excitación láser directa del núcleo atómico.