Naučni timovi sa TU Wien i američkog NIST-a napravili su iskorak u razvoju optičkog nuklearnog sata, koji je prvi put predstavljen 2024. godine. Taj uređaj sada više nije samo precizan mjerač vremena, već se koristi i za istraživanje fenomena izvan standardne fizike.

Prema istraživačima, početni prototip potvrdio je da torij može poslužiti kao izuzetno stabilan vremenski standard, a dalji rad usmjeren je na poboljšanje tehničkih performansi.

Savremeni atomski satovi rade na principu lasera i atoma, gdje se laserska frekvencija usklađuje s energijom elektrona. Elektroni pri tome apsorbuju energiju i prelaze između različitih nivoa, što omogućava tačno mjerenje vremena. Ovi prelazi su osnova za rad svih atomskih satova.

Klasični atomski satovi koriste cezij i mikrotalasne lasere, dok optički satovi primjenjuju kraće talasne dužine i druge elemente radi veće preciznosti. Bez obzira na vrstu, mjerenje se i dalje zasniva na ponašanju elektrona u atomima.

Nuklearni sat s torijem-229 razlikuje se jer koristi prelaze u jezgru atoma umjesto elektronskih. Takvi nuklearni prelazi su stabilniji i pružaju znatno veću preciznost u mjerenju vremena.

Ranije nuklearni satovi nisu bili široko primjenjivani jer većina nuklearnih prelaza zahtijeva visoke energije i rendgenske lasere. Torij-229 je izuzetak, jer ima najniži poznati energetski prelaz u jezgru, koji se može pobuditi ultraljubičastim svjetlom.

Iako su postojeći optički satovi još precizniji, novi sistem brzo smanjuje razliku. Torijski sat gubi samo nekoliko desetina sekundi tokom milijardu godina. Ne mora raditi u vakuumu niti na ekstremno niskim temperaturama. Torij je ugrađen u kristal kalcijum-fluorida i radi na sobnoj temperaturi.

Zbog manje osjetljivosti na elektromagnetne smetnje koje utiču na elektrone, ovaj prototip može istraživati fizičke pojave poput gravitacije koje bi mogle utjecati na druge vrste satova.

Istraživači su iskoristili novi sat za testiranje modela ultralahke tamne materije. Tamna materija je hipotetička tvar koja ne emituje svjetlost i ne može se direktno vidjeti. Neke teorije sugerišu da je sastavljena od čestica male mase koje bi mjenjale energiju nuklearnih prelaza.

Tim uz učešće njemačkog PTB-a uspio je ograničiti pojedine modele tamne materije s preciznošću uporedivom s optičkim satovima, iako za nešto drugačiji teorijski okvir.

Osim toga, nuklearni sat omogućio je preciznija mjerenja veza između kvarkova – osnovnih čestica koje grade protone i neutrone – te proučavanje jake nuklearne sile koja drži atomsko jezgro na okupu.

Rezultati ovog istraživanja objavljeni su na platformi ArXiv i trenutno čekaju recenziju naučne zajednice.