Je leest:

Een tikje dichterbij de nucleaire superklok

Een tikje dichterbij de nucleaire superklok

Wetenschappers vinden een meetbare ‘pendule’ in een atoomkern

Auteur: | 20 mei 2016

De wat precisie betreft ongeëvenaarde atoomklok krijgt mogelijk concurrentie. Wetenschappers zijn er in geslaagd een langgezochte trilling van een thorium-kern direct te detecteren, die kan dienen als het hart van een zogenoemde nucleaire klok. Qua nauwkeurigheid laat dit uurwerk zijn atomaire broer mijlenver achter zich.

Sinds de tijd van het slingeruurwerk dat werd uitgevonden door de Nederlander Christiaan Huygens is er heel wat veranderd in het meten van die tijd zelf. Inmiddels meten we de tijd met atoomklokken die zo precies zijn dat ze slechts een seconde afwijken in vijftien miljard jaar tijd. Minder dan een seconde sinds het begin van het universum! Al vanaf midden jaren vijftig is de atoomklok koning van het tijdmeten; wereldwijd zijn er ruim vierhonderd atoomklokken die samen de basis vormen voor de aardse standaardtijd.

Impressie van een atoom. Een kern met daaromheen zwermende elektronen. In werkelijkheid is de kern relatief nog veel kleiner.

Nu wordt er hard gewerkt aan een type klok die de prestaties van de atoomklok doet verbleken: de zogenoemde nucleaire klok. Deze meet de tijd aan de hand van trillingen in een extreem kleine atoomkern. Het bescheiden formaat van zo’n kern maakt hem volgens experts vrijwel immuun voor verstoringen van buitenaf.

Wetenschappers zijn al jaren naarstig op zoek naar het juiste nucleaire ‘veertje’ hiervoor: iets wat constant en altijd op dezelfde manier trilt. Zo’n veertje lijkt nu voor het eerst waargenomen in de vorm van een zogenoemde energie-overgang in een atoomkern. Bij zo’n overgang neemt de kern een beetje energie op en zendt deze even later – op een vast tijdstip – weer uit. Dat is meetbaar en kan functioneren al de ‘pendule’ van een superprecieze klok.

Al langer werd vermoed dat de kern van thorium-229 (een zogenoemde Isotoop van thorium) over een perfect energie-overgang voor zo’n nucleaire klok beschikt. En het is wetenschappers van onder andere de Duitse Ludwig-Maximilians-Universität in München nu voor het eerst gelukt deze waar te nemen. De resultaten publiceerden zij eerder deze maand in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Trillen met een ijzeren regelmaat

De werking van een nucleaire klok lijkt in de basis op die van een atoomklok. Deze berust op het heen en weer springen van deeltjes tussen twee energieniveaus. In een atoom kan een energieniveau bijvoorbeeld gezien worden als een bepaalde baan die een elektron om de atoomkern heen maakt. Als een elektron naar een hogere baan (en dus energieniveau) gaat dan neemt hij energie op uit de omgeving, gaat hij naar een lagere baan dan zendt hij de overtollige energie weer uit in de vorm van licht.

In een atoomklok worden gelijksoortige atomen (vaak het metaal cesium) gevangen en beschenen met laserlicht met een specifieke frequentie. Met een paar ingenieuze trucjes is het mogelijk om dat laserlicht precies te laten ‘meetrillen’ met de elektronen in de cesiumatomen, die door de wetten van de quantummechanica met een ijzeren regelmaat trillen. Deze afgestemde laser is vervolgens de basis voor de tijdsregistratie van een atoomklok.

Ook een nucleaire klok maakt gebruik van een laser die afgestemd wordt op een trilling in een atoom. Alleen in dit geval niet van de elektronen om de kern, maar van de atoomkern zelf. Ook deze beschikt over de eerder genoemde energieovergangen. Bovendien is de kern honderdduizenden keren kleiner dan het hele atoom, en dat maakt hem zoals gezegd minder gevoelig voor verstoringen van buitenaf. Hoeveel preciezer zo’n nucleaire klok is, is overigens niet duidelijk.

Een seconde is officieel gedefinieerd als 9.192.631.770 periodes van de straling afkomstig uit cesiumatomen in de grondtoestand bij 0 Kelvin.

Exotische energieovergang

Wetenschappers vermoeden al ruim veertig jaar dat thorium-229 – een isotoop van thorium die wat betreft eigenschappen op overige vormen van thorium lijkt – een extreem laag eerste energieniveau heeft, een fractie boven het ‘grondniveau’. Het is het kleinst bekende stapje tussen twee niveaus, waar er inmiddels zo’n 176.000 van bekend zijn. Dit bijzonder kleine stapje maakt het mogelijk om de kern met energie uit laserlicht te laten trillen.

Maar dan moet de bewuste exotische energieovergang wel echt bestaan. Tot nu toe was deze alleen indirect waargenomen, en het bestaan ervan werd zelfs betwist door sommige wetenschappers.

Uranium, dat via alfaverval thorium wordt.
Wikimedia Commons

Duitse wetenschappers onder leiding van natuurkundige Peter Thirolf beslissen de twist nu. Ze gingen op zoek naar de overgang door thorium te maken uit uranium. Dat gebeurt eigenlijk vanzelf wanneer uranium via zogenoemd alfaverval (een vorm van radioactief verval) thorium-229 wordt. Op dat moment stoot de kern van een uranium-atoom ‘spontaan’ een alfa-deeltje uit, waardoor een thorium-229-kern overblijft. De kernen zitten na het ontstaan meestal op het gezochte energieniveau net boven het grondniveau.

Door de verse thoriumkernen via een speciaal kanaal met een soort scherm op te vangen, waren de fysici in staat de terugval naar het grondniveau te detecteren. Dat geeft een minuscule hoeveelheid energie af die op zijn beurt een lichtflitsje produceert. De kunst van zo’n experiment is ervoor zorgen dat er alleen maar aangeslagen thoriumkernen met de juiste snelheid op het scherm vallen, en daarin lijken de Duitsers geslaagd.

Ze waren zo in staat om de eerste directe detectie te doen van de langgezochte energieovergang, maar ook om te bepalen dat de aangeslagen kern relatief stabiel is. Het experiment stelde de wetenschappers in staat om te laten zien dat hij minimaal zestig seconden bestaat. Dat is in lijn met de voorspellingen en essentieel voor het gebruik in een toekomstige nucleaire klok. Die is er overigens nog lang niet, maar Thirolf noemt zijn experiment zelf in ieder geval een ‘beslissende stap op weg naar de realisatie van een nucleaire klok’.

Waarom nog preciezere klokken?

Je kunt je natuurlijk afvragen waarom er een nóg preciezere klok nodig is. Is een afwijking van een seconde in vijftien miljard jaar tijd niet onnoemlijk precies? Natuurlijk, voor onze dagelijkse beslommeringen lijkt een atoomklok al accuraat genoeg. Maar neem bijvoorbeeld plaatsbepalingssystemen zoals GPS; dat zou niet functioneren zonder atoomklokken. Ook in de wetenschap is er behoefte aan extreme precisie, bijvoorbeeld bij experimenten naar extreem snelle processen of onderzoek naar de constantheid van natuurconstanten.

Bron

  • Von der Wense L. et al., Direct detection of the 229Th nuclear clock transition, Nature (5 mei 2016), DOI:10.1038/nature17669
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 mei 2016

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.