科学者たちは時間をこれまでにない詳細にスライスしています。最近、2つの国際研究チームが、トリウム229原子核の高周波振動を利用して時間を測定する新しい「核時計」を実験室に構築した。これは時間測定技術における重要なマイルストーンとみなされています。
数えたり、振り子の揺れを観察したり、電場の作用下で水晶が生成する圧電振動を利用したりすることまで、人間はさまざまな計時方法を発明し、その精度は常に向上しています。 70 年以上にわたり、原子時計は、異なる軌道間でのセシウム原子の電子の遷移頻度に基づいて時間測定の「ゴールドスタンダード」となってきました。
ただし、規則的に振動する原子の一部は電子だけではありません。原子核自体も異なるエネルギーレベル間で同様の「振動」を起こし、その振動はより高いエネルギーとより速い周波数に対応します。これは、より多くの「ティック」を単位時間に詰め込むことができることを意味し、それにより理論的には従来の原子時計よりも高い時間分解能を提供します。
2003 年には研究者らは、特定のトリウム同位体の仮想的な「核転移」周波数が現代のレーザー技術でカバーできる範囲内に収まる可能性があり、励起して計時に使用できる可能性があることに気づきました。その後、13年をかけてようやくこの現象を実験で観測し、さらに12年をかけて必要な紫外線の特定の波長をさらに正確に測定し、本当に使える「核時計」を構築するための重要なパラメータを準備した。
本当の難しさは、工学的実装のレベルで発生します。ガスに吸収されやすいこの種の深紫外光を大気中に透過させるには、トリウム 229 原子核をしっかりと結合し、光照射を容易にする固体環境を見つける必要があります。最新の2つの実験研究では、ウィーン量子科学技術センターの研究者ルカ・トスカーニ・デ・コール率いるチームと清華大学の物理学者ホアン・ベイチェン率いるチームがいずれもトリウム229の核をフッ化カルシウム結晶にカプセル化することを選択し、この技術的限界を突破することに成功した。
残りの実験課題を克服するために、2 つのチームは異なる戦略を採用しました。Huang Beichen のチームは紫外レーザーの出力を増やすことで励起効率を高め、Toscani de Cole のチームは信号強度を高めるために結晶内のトリウム 229 同位体の濃度を高めることを選択しました。どちらのルートも最終的には実用的な核時計のプロトタイプにつながり、核エネルギーレベルの振動が実用的な計時装置になるという現実的な証拠を提供しました。
現在、人類の最も先進的なイオン原子時計は、時間精度を小数点以下 19 桁まで押し上げることができます。これは、宇宙の年齢のスケールでは、その累積誤差が依然として極めて小さいことを意味します。理論的研究によると、トリウム 229 の核遷移に基づく核時計は、このレベルを一歩超えて、より詳細な方法で時間を分割することが期待されています。
時間のスライスが細かくなるほど、重力や加速度が時空の構造に及ぼす微妙な影響など、科学者が非常に弱い影響を検出できる可能性が高くなります。超高精度時計は、一般相対性理論などの理論を検証するための強力なツールであるだけでなく、非常に小さなスケールで標準モデルの潜在的な欠陥を見つけるための新しいツールも提供します。
新しい装置の性能をテストするために、トスカーニ・デ・コールのチームはまた、核時計を使用して低質量暗黒物質の兆候を探し、時間周波数の異常に小さな変化を通じて暗黒物質と通常の物質の間の相互作用の手がかりを捕らえることを望んでいた。このような実験が成功すれば、まだ直接検出されていない宇宙の質量成分の約85％を説明する重要な手がかりが得られると期待されている。
現在、両方の結果はプレプリントの形で arXiv プラットフォーム上に公開されており、実験の詳細とデータは公開されています。関連技術が成熟し続けるにつれて、核時計は基礎物理学研究、ナビゲーションシステム、地球重力場測定、さらには高精度通信の分野に新たな応用分野を切り開き、人間の時間把握能力に新たな「究極のストップウォッチ」を加えることが予測されます。
「ミシシッピ」で秒を数えるのと比較すると、原子核を「振動針」として使用するこれらの新世代時計は、明らかに完璧なタイミングに一歩近づきます。