Die erste Kernuhr soll prüfen, ob sich fundamentale Konstanten ändern
(quantamagazine.org)- Forschende von JILA haben den Übergang zwischen zwei Zuständen des Atomkerns von Thorium-229 mit einer Genauigkeit von einem Billionstel gemessen und damit die seit 50 Jahren laufende Suche nach der Laserfrequenz für den Kernuhr-Übergang praktisch abgeschlossen
- Thorium-229 ist ein ungewöhnlicher Fall, bei dem sich Änderungen der elektromagnetischen Kraft und der starken Kernkraft im Atomkern nahezu aufheben; dadurch kann ein Kernübergang mit geringer Energie ausgelöst werden
- Nach europäischen Forschenden im April 2024 und einer UCLA-Gruppe im Juli liegen nun die JILA-Ergebnisse vor; diese Messung ist millionenfach präziser als frühere Beobachtungen
- Kernuhr-Übergänge reagieren deutlich empfindlicher auf Änderungen fundamentaler Konstanten als atomare Zustände, doch mögliche Änderungen könnten im Bereich von einem Zehnbillionstel liegen, sodass weitere Verbesserungen der Präzision nötig sind
- Eine Thorium-229-Kernuhr könnte zu einem neuen Werkzeug werden, um experimentell zeitliche Änderungen der physikalischen Gesetze zu prüfen, wie sie Modelle etwa mit Dunkle-Materie-Axionen oder die Stringtheorie vorhersagen
JILAs Messung des Thorium-229-Kernuhr-Übergangs
- In einer Nacht im Mai 2024 bestätigte Chuankun Zhang, Doktorand am JILA, ein Signal für den Kernuhr-Übergang, bei dem der Atomkern von Thorium-229 zwischen zwei Zuständen wechselt
- Nach mehreren Kontrollschritten kamen die Forschenden zu dem Schluss, dass dieses Signal tatsächlich ein Kernübergang von Thorium-229 ist
- Die Messergebnisse der Forschungsgruppe von Jun Ye wurden am 4. September 2024 in Nature veröffentlicht
- Es ist das dritte Ergebnis zu Beobachtungen des Thorium-229-Übergangs, das innerhalb der vergangenen vier Monate veröffentlicht wurde, nach Ergebnissen von Forschenden aus Deutschland und Kalifornien
- Diese Messung ist millionenfach präziser als die vorherigen Ergebnisse und markiert damit faktisch das Ende der langen Suche nach der exakten Laserfrequenz, die den Kernuhr-Übergang auslöst
Warum Thorium-229 besonders ist
- Gewöhnliche Atomuhren nutzen den Prozess, bei dem ein Elektron ein Photon absorbiert, in einen angeregten Zustand übergeht und anschließend in den Grundzustand zurückkehrt
- Die auf einen Übergang im Cäsiumatom abgestimmte Wellenlänge definiert derzeit den internationalen Standard für eine Sekunde
- Eine Sekunde ist definiert als die Zeit, in der 9.192.631.770 dieser Wellenlängen einen Punkt im Raum passieren
- Auch Atomkerne haben Grundzustände und angeregte Zustände, doch weil Protonen und Neutronen viel stärker gebunden sind als Elektronen, sind normalerweise Photonen mit deutlich höherer Energie nötig, etwa Gammastrahlen
- Der Atomkern von Thorium-229 ist eine Ausnahme, weil die für den Kernübergang nötige Energie sehr niedrig ist
- Die elektromagnetische Kraft zwischen den Protonen im Atomkern versucht, den Kern auseinanderzureißen, während die starke Kernkraft ihn zusammenhält
- Bei der Änderung des Spins des äußersten Neutrons in Thorium-229 heben sich die Änderungen dieser beiden Kräfte nahezu exakt auf, sodass der Energieunterschied zwischen angeregtem Zustand und Grundzustand extrem klein ist
- Der Übergang ist mit etwa 10.000-mal weniger Energie möglich als bei einer typischen Kernanregung
Experimentelles Material aus einem Nebenprodukt des Kalten Kriegs
- Thorium-229 entsteht beim Zerfall von Uran-233, einem Nebenprodukt der Kernwaffenforschung während des Kalten Kriegs
- Die USA produzierten von den 1950er- bis in die 1970er-Jahre rund 2 Tonnen Uran-233; es galt als waffenfähiges spaltbares Material, das als Alternative zu Uran-235 und Plutonium-239 geprüft wurde
- 1976 untersuchten Larry Kroger und Charles Reich vom Idaho National Laboratory die Strahlung aus Uran-233-Abfalllösung und fanden dabei indirekte Hinweise darauf, dass Thorium-229 einen Kernanregungszustand mit deutlich niedrigerer Energie als erwartet besitzt
- 1990 bestätigten Reich und Kollegen durch eine präzisere Neumessung, dass die Energie dieses angeregten Zustands mehr als zehnmal kleiner ist als zunächst angenommen
- Kernübergänge benötigen normalerweise Millionen Elektronenvolt, der Thorium-229-Übergang liegt jedoch unter 10 Elektronenvolt
- Dieser Energiebereich liegt in einem Bereich, den bestehende Laser stabil und präzise übertragen können
- Eric Hudson sagt, in allen Diagrammen der Atomkerne gebe es nur bei Thorium-229 einen solchen Fall
Idee der Kernuhr und Prüfung fundamentaler Konstanten
- 2003 schlugen Ekkehard Peik und Christian Tamm eine Kernuhr auf Basis von Thorium-229 vor
- Da der Atomkern von einer Elektronenhülle umgeben und damit von der Außenwelt abgeschirmt ist, könnte eine auf Thorium-229 basierende Uhr weniger anfällig für Hintergrundstörungen sein, die die damals besten Atomuhren beeinträchtigten
- Victor Flambaum zeigte, dass eine derart empfindliche und isolierte Uhr genutzt werden könnte, um die Konstanz der Natur selbst zu testen
- In den Gleichungen der Physik kommen rund 26 fundamentale Konstanten vor, etwa die Lichtgeschwindigkeit und die Gravitationskonstante
- Theorien wie die Stringtheorie sagen voraus, dass sich diese Zahlen im Lauf der Zeit in sehr geringem Maße verändern könnten
- Ein populäres Modell der Dunklen Materie geht davon aus, dass Dunkle Materie, falls sie aus wellenförmigen Teilchen namens Axionen besteht, durch ortsabhängige Änderungen der Axiondichte die Stärke bestimmter Kräfte steigen und fallen lassen könnte
- Änderungen der Stärke von Kräften können die Energien von Atomkernzuständen verändern
- Die Energien von Atomkernzuständen ergeben sich daraus, dass die großen elektromagnetischen und starken Kernkräfte, die auf Protonen und Neutronen wirken, addiert und subtrahiert werden
- Da der Energieunterschied beim Thorium-229-Übergang sehr klein ist, könnten sich kleine Änderungen der Kräfte dort besonders deutlich zeigen
Wettlauf um die Laserfrequenz
- Anfangs war die Schätzung der für den Kernuhr-Übergang nötigen Energie 1.000-mal weniger präzise als die Laserwellenlängen, die die Forschenden absuchten
- Die Forschenden mussten Tausende Laserwellenlängen nacheinander ausschließen; der Ansatz, einige Thorium-229-Atome einzufangen, mit einem Laser zu bestrahlen und auf Photonen zu warten, musste zwangsläufig sehr lange dauern
- Dem Ansatz von Eric Hudson folgend begannen mehrere Gruppen, feste Kristallverbindungen herzustellen, in die Thorium eingebettet ist
- Ein Kristall kann nicht nur einige Atome, sondern Billiarden von Atomen enthalten
- Mit Lasern lassen sich so viele Wellenlängen schnell ausschließen
- Das CERN-Team schuf 2023 einen Durchbruch, indem es durch radioaktiven Zerfall angeregtes Thorium-229 erzeugte und in einer ruhigeren Umgebung das schwache ultraviolette Licht des Kernuhr-Übergangs direkt maß
- Durch das CERN-Ergebnis wurde der Suchbereich stark eingegrenzt, und im April 2024 berichtete ein europäisches Team erstmals, diesen Zustand mit einem Laser untersucht zu haben
- Hudsons Gruppe an der UCLA veröffentlichte ihre Entdeckung ebenfalls im Juli 2024 in Physical Review Letters
- Die Gruppe von Jun Ye am JILA erhielt einen der von Thorsten Schumm hergestellten Kristalle und entwickelte einen speziellen Ultraviolettlaser, um Thorium-229 zu einer Kernuhr zu machen
- Dieser Laser wird eingesetzt, um mehrere Wellenlängen gleichzeitig zu testen und den Übergang zu finden
- Das JILA-Ergebnis schließt die drei parallelen Entdeckungen mit der präzisesten Energiemessung ab
Warum noch höhere Präzision nötig ist
- Die Energie des Thorium-Kernzustands ist gegenüber Änderungen fundamentaler Konstanten deutlich empfindlicher als jeder atomare Zustand
- Derzeit kann Yes Gruppe den Kernuhr-Übergang mit einer Genauigkeit von einem Billionstel messen
- Um noch feinere Änderungen zu sehen als jene, die bestehende Atomuhren bereits ausgeschlossen haben, ist höhere Präzision nötig
- Mögliche Änderungen könnten im Bereich von einem Zehnbillionstel liegen, weshalb Ye dies als etwas für „mehrere Jahre später“ ansieht
- Thorium-229, das aus einem alten Nebenprodukt des Kalten Kriegs stammt, könnte zu einem Werkzeug werden, um Hinweise auf eine bislang unentdeckte, tiefere Physik zu finden, die das Universum trägt
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Selbst wenn man daraus eine Kernuhr baut und die Allan-Drift niedrig genug wird, um praktisch nützlich zu sein, müsste man wohl über Jahre beobachten, um genügend Daten zu sammeln, damit sich ein aussagekräftiger Unterschied messen und daraus etwas ableiten lässt.
In der Zwischenzeit müsste man den Effekt ausgleichen, der entsteht, wenn man ein Objekt nur 1 cm nach oben oder unten bewegt, außerdem die Position des Mondes und alle möglichen anderen Rauschquellen.
Ich habe keinen Zweifel, dass sie es am Ende schaffen werden, und es dürfte beeindruckend sein, später vom ganzen Ablauf zu hören.
Als sehenswertes Material für die Wartezeit habe ich eine YouTube-Aufzeichnung einer Konferenz gefunden, die am klarsten erklärt, wie Atomuhren im Chipmaßstab funktionieren: https://www.youtube.com/watch?v=wHYvS7MtBok
Irgendwann freue ich mich auch auf optische Gitteruhren im Chipmaßstab.
Außerdem scheinen die Bereitstellungskosten deutlich niedriger zu sein als bei Interferometer-Hardware, sodass man weltweit genügend Replikate aufstellen könnte, um lokale Rauschquellen auszugleichen.
Interessant ist die Kombination aus „viele Atomkerne haben ähnliche Spin-Übergänge, aber nur bei Thorium-229 ist diese Aufhebung nahezu perfekt“ und „physikalische Konstanten sind möglicherweise gar nicht konstant“.
Falls sich physikalische Konstanten mit der Zeit ändern, ist Thorium-229 vielleicht nicht an sich besonders, sondern nur ein Isotop, bei dem elektrische Abstoßung und starke Kernkraft gerade zu diesem Zeitpunkt zufällig im Gleichgewicht sind.
In einer Milliarde Jahren könnte ein anderes Element diese Rolle übernehmen, und vielleicht haben wir einfach Glück, in einer Epoche zu leben, in der ein Isotop eines vorhandenen Elements genau passt.
Der optimale Zeitpunkt oder Ort, an dem die beiden Kräfte exakt im Gleichgewicht sind, könnte bereits gewesen sein oder noch kommen; dann wäre er ideal, um Änderungen der Konstanten präzise zu messen – so wie eine Sonnenfinsternis eine gute Gelegenheit war, die Ablenkung von Licht durch Gravitation zu überprüfen.
Trotzdem gibt es Zahlen wie die Feinstrukturkonstante, die sich nur schwer oder gar nicht aus anderen Werten ableiten lassen. Die populärwissenschaftliche Erklärung, die ich mitbekommen habe, ist das anthropische Prinzip: Nur bei solchen Werten kann überhaupt jemand diese Frage stellen.
Wie echte Wissenschaftler das sehen, weiß ich allerdings nicht.
Auch die elektromagnetische Wechselwirkung, die gewöhnliche Kräfte erzeugt, ist an die Lichtgeschwindigkeit gekoppelt, und alles andere ebenso.
Andere Konstanten können sich ändern, aber es wäre äußerst überraschend, wenn sich die lokal beobachtete Lichtgeschwindigkeit ändern könnte.
Wenn Zahlen wie die Lichtgeschwindigkeit oder die Gravitationskonstante bestimmen, wie das Universum funktioniert, in Wahrheit aber vielleicht keine Konstanten sind, dann hat sich Gravitation für mich als Nichtphysiker immer wie eine Kraft angefühlt, die sich verändern könnte.
Dann könnte das vielleicht auch eine alternative Erklärung für das Problem der verschwundenen Dunklen Materie sein oder dafür, warum viele Lebewesen auf der Erde vor Millionen von Jahren größer waren. Natürlich fehlt mir der physikalische Hintergrund, und vielleicht widerspricht man sich, wenn man beide Phänomene gemeinsam erklären will.
Im Artikel heißt es, es gebe 26 Konstanten, aber auf https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_physical_constants sieht es nach mehr aus.
Und bei Konstanten, die wie die Feinstrukturkonstante ein Verhältnis sind, scheint es mir, als könne man eine tatsächliche Veränderung nicht erkennen, wenn das Verhältnis gleich bleibt. Ähnlich wie π als Verhältnis gleich bleibt.
Außerdem ist nicht festgelegt, dass es genau diese 26 sein müssen. Man kann statt c auch 1/c als Konstante nehmen, das ist genauso gültig, und jede Gleichung lässt sich so umschreiben, dass sie 1/c statt c verwendet.
Bei Verhältnissen ist genau die Frage, ob dieses Verhältnis wirklich konstant ist, Gegenstand der Überprüfung.
Um eine Konstante zu messen, braucht man etwas, das konstant ist; wenn man aber keine Konstante hat, mit der man sie vergleichen kann, weiß man nicht, was konstant ist. Das kam mir immer wie ein logischer Fehler vor.
Am Ende können wir nur annehmen, dass etwas konstant ist, und vielleicht ist es in Wirklichkeit nur etwas, das konstant erscheint.
Wenn man sich die Arbeiten des Physikers Julian Barbour zur Zeit ansieht, bekommt man ziemlich erstaunliche Einsichten. Es ist die Sichtweise: „Zeit entsteht aus Veränderung“: https://www.youtube.com/watch?v=GoTeGW2csPk
Wenn man die Temperatur ändert, verändern beide ihre Größe, aber wenn man beide bei mehreren Temperaturen misst, kann man das Verhältnis der beiden Wärmeausdehnungskoeffizienten bestimmen.
Interessanterweise misst man, wenn man ein Quecksilberthermometer verwendet, im Grunde alles relativ zum Wärmeausdehnungskoeffizienten von Quecksilber.
Wenn Grundkonstanten nicht immer wirklich konstant sind, würde sich Materie in anderen Galaxien anders verhalten als Materie in unserer Milchstraße. Ich diskutiere das gelegentlich, aber andere sagen immer wieder, wenn die Wellenlängen gleich seien, müsse auch alles andere gleich sein.
Soweit ich mich erinnere, wurde das schon untersucht, aber ich finde gerade keine Literatur dazu.
Gibt es also wirklich Dunkle Materie und Dunkle Energie, oder ist unser Verständnis der Gesetze des Universums unvollständig?
Wenn Grundkonstanten in der Vergangenheit anders waren, könnte sich das auch einfach nur darin zeigen, dass sich die von uns gemessenen Entfernungen ändern.
Wenn Grundkonstanten veränderlich sein können, frage ich mich, ob das nicht die Energieerhaltung und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt.
Ich glaube, jemand sagte einmal: „Wenn deine Theorie den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt, gibt es keine Hoffnung.“ Übersehe ich etwas?
Denn nicht viele lernen physikalische Kinetik, etwa bis zum Niveau von Landau, Band 10.
Es ist nicht schwer, sich eine Situation vorzustellen, in der sich die Energie eines abgeschlossenen Systems ändert, aber nicht so, dass die Gesamtentropie abnimmt. Etwa wenn die Energie eines abgeschlossenen Systems sinkt.
Manches kann extrem konstant wirken, müsste aber auf absurd kleinen oder großen Zeitskalen gemessen werden und wäre daher praktisch kaum messbar.
Ob die Gravitationskonstante G tatsächlich konstant ist, ist bis zu einem gewissen Grad weiterhin eine offene Frage.
Außerdem hängt das Ergebnis davon ab, ob man Atomzeit oder dynamische Zeit verwendet. Nutzt man dynamische Zeit, wird mit den Laserreflektoren auf dem Mond keine Änderung gemessen.
Vielleicht ist das eine dumme Frage, aber wie beurteilt man die Genauigkeit der präzisesten Uhr? Es gibt doch nichts noch Genaueres, womit man sie vergleichen könnte, oder?
Vermutlich war die Ein-Elektron-Hypothese gemeint. Das ist eine interessante Idee, weil das Feynman-Diagramm eines Antielektrons wie ein Elektron aussieht, das in der Zeit rückwärts läuft.
Daher kann man sich vorstellen, dass ein einziges Elektron in der Zeit vor- und zurückspringt und eine verschlungene Weltlinie bildet, die wir manchmal als Antielektron beobachten.
Für Photonen passt das nicht, weil es keine Antiphotonen gibt.
Jedenfalls ist es ein unterhaltsamer Gedanke mit einem dieser „Wow!“-Momente, wie Feynman sie gut erzeugen konnte, aber als ernsthafte Theorie scheint er nicht akzeptiert zu sein.
Experimentell wie auch nach unseren besten Theorien sind diese Teilchen buchstäblich identisch, abgesehen davon, dass vor der Zeitvariablen ein Minuszeichen steht.
Und das gilt auch für Photonen. Antiphotonen existieren, und zwar sind es die Photonen selbst. Photonen sind unter Zeitumkehr symmetrische Teilchen.
Feynman widerlegte die Idee sofort mit dem Hinweis, dass es mehr Elektronen als Positronen gibt.