Materia întunecată, materia misterioasă care domină Universul, scapă în continuare oricărei detectări directe. Cu toate acestea, fizicienii din întreaga lume continuă căutarea acestei materii, folosind metode din ce în ce mai sofisticate. Un nou studiu, publicat recent în revista Physical Review X, propune o metodă inedită: detectarea influenței materiei întunecate asupra unui „ceas nuclear” de mare precizie, bazat pe elementul radioactiv toriu-229.
Un nou tip de ceas: măsurarea timpului cu nucleul atomic
În prezent, cele mai precise ceasuri din lume sunt ceasurile atomice, care folosesc tranziția frecvenței electronice din jurul nucleului pentru a măsura timpul. Însă electronii sunt sensibili la influențe electromagnetice externe, ceea ce limitează precizia absolută a acestor instrumente.
O alternativă radicală ar fi folosirea nucleului atomic ca „pendul” într-un ceas nuclear.
Toriu-229 este un candidat ideal, deoarece tranziția dintre stările sale cuantice fundamentale și excitate se produce la o energie extrem de joasă; atât de joasă încât poate fi manipulat cu lasere din domeniul ultraviolet, mult mai ușor accesibile decât razele gama necesare pentru alte nuclee.
Toriu-229: un nucleu cu potențial uriaș
Această tranziție rară, identificată pentru prima dată în anii ’70, a fost timp de decenii imposibil de măsurat cu mare precizie. Dar în ultimul an, două echipe de cercetare, una din Germania (Institutul Național de Metrologie) și una din Colorado, au reușit să determine cu o precizie fără precedent frecvența de rezonanță a nucleului de toriu-229. Aceste măsurători, realizate pe cristale speciale de fluorină cu aproximativ un cvadrilion de atomi de toriu încorporați, deschid calea spre construirea unui ceas nuclear funcțional de precizie extrem de mare.
Materia întunecată: cum poate influența un nucleu atomic?
Cercetătorii au realizat că, chiar și înainte de a avea un ceas nuclear complet funcțional, se pot folosi oscilațiile nucleului pentru a detecta materia întunecată.
Ideea este simplă, dar profundă: dacă materia întunecată este compusă din particule care se comportă asemenea unor unde, așa cum sugerează unele modele, acestea ar putea modifica masa nucleonilor, inclusiv frecvența de rezonanță a nucleului de toriu-229.
Într-un univers format exclusiv din materie vizibilă, spectrul de absorbție al unui material este bine cunoscut. Totuși, dacă materia întunecată este prezentă, ea ar putea provoca variații temporare fine în acest spectru, modificări extrem de subtile, dar care pot fi detectate cu ajutorul tehnologiilor de înaltă precizie.
Sensibilitate extremă: influențe mai slabe decât gravitația
Modelele teoretice arată că aceste modificări ar putea fi detectabile chiar dacă forța exercitată de materia întunecată ar fi de 100 de milioane de ori mai slabă decât gravitația, o forță deja extrem de slabă la scară atomică. Nu doar variația frecvenței de rezonanță este importantă, ci întregul profil al spectrului de absorbție trebuie analizat cu o precizie fără precedent.
Aceasta este o idee complet nouă: nimeni nu a căutat până acum materia întunecată urmărind aceste deviații subtile în oscilațiile nucleare. Odată observate, intensitatea și frecvența la care apar pot furniza informații directe despre masa particulelor de materie întunecată.
În așteptarea ceasului: o nouă cale pentru cercetarea fundamentală
Construirea efectivă a ceasului nuclear este încă un obiectiv pe termen lung; pot trece ani până când tehnologia va fi suficient de matură. Dar până atunci, spectroscopia laser de înaltă precizie aplicată pe toriu-229 permite deja dezvoltarea unor metode indirecte de investigare a materiei întunecate.
Aceste cercetări ar putea avea și aplicații diverse importante: un ceas nuclear ar depăși de departe precizia ceasurilor atomice actuale și ar putea revoluționa domenii precum navigația spațială, telecomunicațiile, rețelele de energie sau sincronizarea experimentelor științifice.
Materia întunecată: poate fi toriul cheia?
Căutarea materiei întunecate s-a concentrat, până acum, pe detecții directe, acceleratoare de particule sau observații cosmologice. Dar această nouă abordare, axată pe efectele minuscule asupra timpului măsurat de un nucleu atomic, ar putea oferi o cale complet diferită.
Un ceas nuclear pe bază de toriu-229 ar putea sa fie cel mai sensibil detector de materie întunecată. Cu o precizie de 100.000 de ori mai bună decât metodele actuale, ar putea detecta influențe de 10 trilioane de ori mai slabe decât gravitația.
Fizica fundamentală pătrunde într-un teritoriu complet nou, unde timpul, energia și materia invizibilă se întâlnesc în cel mai precis ceas construit vreodată de om.
