Je leest:

Het kan nóg preciezer dan een atoomklok

Het kan nóg preciezer dan een atoomklok

Auteur: | 11 november 2011

De atoomklok is de nauwkeurigste tijdmeter die we hebben. Nog wel. Maar een nieuwe ‘nucleaire klok’ lijkt die titel te kunnen afpakken. Amerikaans onderzoek bracht onlangs zo’n klok een stap dichterbij. Eenmaal gemaakt belooft hij zestig keer nauwkeuriger te zijn dan de beste atoomklok.

Small
Het logo van de Doomsday Clock. De actuele stand is zes minuten voor twaalf.

Niet schrikken: met ‘nucleaire klok’ bedoelen we niet de bekende Doomsday Clock, de symbolische klok die aangeeft hoe dicht we ons bij een kernoorlog bevinden. In dit geval bedoelen we met een nucleaire klok een klok waarbij atoomkernen de tijd bepalen. Hij is nog niet gemaakt, maar hij doet nu al van zich spreken. Deze klok zou de seconden nauwkeuriger kunnen wegtikken dan onze beste atoomklokken.

Heen en weer stuiteren

Dat is nogal wat. De atoomklok is op dit moment onze standaard in tijdmeting. Het zijn de nauwkeurigste klokken op aarde. Dat komt omdat een atoomklok de tijd bepaalt aan de hand van elektronen. En hun gedrag is altijd en overal hetzelfde. Dankzij atoomklokken zijn onze navigatiesystemen zo nauwkeurig, loopt het internet overal gelijk en weet iedereen hoe lang een seconde duurt.

Elektronen rondom een atoom kunnen alleen bepaalde waarden van de energie aannemen, zogeheten energieniveau’s. Ze kunnen naar een hoger energieniveau springen, maar alleen als ze met straling van zeer specifieke frequentie aangeslagen worden. Net zo springen ze terug naar een lage energie onder uitzending van deze straling. Een atoomklok laat de elektronen met precies de goede straling heen en weer stuiteren tussen de energietoestanden. De frequentie van de straling bepaalt het tikken van de seconden.

Small
De NPL-CsF2 is sinds augustus de meest nauwkeurige cesiumklok ter wereld.
National Physics Laboratory

Cesium

De seconde is zelfs gebaseerd op de frequentie waarmee dit gebeurt in het cesiumatoom, specifiek in de isotoop cesium-133. In augustus werd bekend dat de meest nauwkeurige cesiumklok ter wereld staat in het Engelse National Physical Laboratory (NPL). Deze klok loopt slechts na 138 miljoen jaar een seconde uit de pas. Wereldwijd zijn er driehonderd van zulke cesiumklokken die samen bepalen hoe laat het precies is.

Er bestaan overigens al atoomklokken die nóg nauwkeuriger zijn. Deze klokken gebruiken andere soorten atomen, zoals kwik of aluminium. Recordhouder is een aluminiumklok van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST). Deze is zo nauwkeurig dat als hij sinds de oerknal zou tikken hij nog geen vier seconden zou afwijken van de echte tijd.

Thorium

Een nucleaire klok zou op een vergelijkbare manier werken als een atoomklok, alleen zijn het dan juist de atoomkernen die aangeslagen worden en heen en weer springen tussen energietoestanden. Met de elektronen gebeurt niets. Voordeel van atoomkernen is dat ze veel minder gevoelig zijn voor hun omgeving. Elektronen in atoomklokken kunnen door temperatuur of externe magneetvelden verstoord worden, zodat er foutjes in de tijdmeting sluipen. Een nucleaire klok kan daarom in theorie veel nauwkeuriger tikken.

Trap colorful
Een laserbundel brengt thorium-ionen in aangeslagen toestand en houdt ze vast in een zogeheten ‘trap’.

Thorium-229 is het atoom dat sinds 2003 naar voren is geschoven als kandidaat in een nucleaire klok. Frappant genoeg is dit een isotoop die in kernreactoren geproduceerd wordt. De straling die nodig is om deze thoriumkernen heen en weer te laten springen ligt in het ultraviolette gebied. Probleem is alleen dat je de precieze frequentie waarmee dit gebeurt moeilijk kunt bepalen. Dit is sterk afhankelijk van de afstand waarmee de elektronen om de kern bewegen. Die kan nogal variëren – ze zijn tenslotte nogal gevoelig voor de omgeving – en dat veroorzaakt onnauwkeurigheid.

Elektronen vastpinnen

Een team van het Amerikaanse Georgia Institute of Technology heeft nu gevonden hoe je dat probleem oplost. Het gaat om ingewikkelde experimenten waarin ze thoriumatomen met lasers vasthouden in een zogeheten trap (een soort val). Ze hebben voorgerekend dat een bepaalde meetopstelling de elektronen nagenoeg kan vastpinnen. Een nucleaire klok die een thoriumatoom op deze manier controleert, wijkt slechts één seconde per 200 miljard jaar af, volgens het team. Dat is dus zestig keer beter dan de beste atoomklok.

Natuurlijk, de klok is er nog niet, maar een belangrijk obstakel is nu weggenomen. Het is nu zaak om daadwerkelijk die frequentie waarmee de atoomkernen aangeslagen moeten worden met grote precisie vast te stellen. Dat komt neer op het bestoken van de atoomkernen met licht van verschillende frequenties en dan kijken bij welke frequentie de kernen licht uitzenden. Hoe snel ze dat weten? De tijd zal het leren.

Artistieke impressie quasar eso
Een artistieke impressie van een quasar, een zwart gat dat zichtbaar is als een heldere ster. Uit het licht van quasars berekenen astronomen de fijnstructuurconstante.
ESO/M. Kornmesser

Schommelende constante?

Tenslotte: misschien vraag je je af waarom we klokken nodig hebben die nóg preciezer zijn dan onze atoomklok. Los van het feit dat er altijd vraag is naar preciezere tijdmetingen, is een nucleaire klok om andere redenen erg aantrekkelijk voor wetenschappers. Zo’n klok zou namelijk uitsluitsel kunnen geven in een belangrijk probleem: de mogelijke schommelingen in natuurconstanten.

Natuurkundigen gaan ervan uit dat natuurwetten altijd en overal hetzelfde zijn. Maar recente metingen aan de zogenoemde fijnstructuurconstante – een getal dat iets zegt over de sterkte van elektromagnetische kracht – suggereren dat dit getal niet altijd hetzelfde is geweest. De frequentie van de straling die een atoomklok gebruikt ligt vast met deze constante. Een nucleaire klok tikt hier onafhankelijk van. Dus als deze natuurconstante daadwerkelijk in de tijd verandert, zouden we op een gegeven moment moeten merken dat een nucleaire klok en een atoomklok ongelijk gaan lopen. Het zou de nauwkeurigste test ooit zijn om dit effect te meten.

Bron

C. Campbell e.a., A Single-Ion Nuclear Clock for Metrology at the 19th Decimal Place, arXiv: 1110.2490

Meer over atoomklokken op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/atoomklok/index.atom", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 november 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.