Terobosan Nuklir yang Menakjubkan Dapat Mengubah Konstanta Fundamental Alam

Penemuan ini dapat mengarah pada penciptaan jam paling akurat yang pernah ada, yang memfasilitasi kemajuan dalam navigasi dan komunikasi luar angkasa.

Menggunakan laser untuk meningkatkan status energi atomInti atom, yang dikenal sebagai eksitasi, dapat mengarah pada pengembangan jam atom yang paling akurat. Proses ini menantang karena elektron yang mengelilingi inti atom sangat reaktif terhadap cahaya, sehingga membutuhkan lebih banyak cahaya untuk memengaruhi inti atom. Universitas California, California Fisikawan telah mengatasi hal ini dengan mengikat elektron dengan fluorin dalam kristal transparan, yang memungkinkan mereka untuk membangkitkan neutron dalam inti atom thorium menggunakan sejumlah sedang cahaya laser. Pencapaian ini membuka jalan bagi pengukuran waktu, gravitasi, dan medan lainnya yang jauh lebih akurat, jauh melampaui pengukuran saat ini. ketepatan tingkat yang disediakan oleh elektron atom.

Selama hampir setengah abad, fisikawan telah membayangkan kemungkinan yang dapat muncul dari peningkatan status energi inti atom dengan laser. Terobosan ini akan memungkinkan penggantian jam atom saat ini dengan jam nuklir, perangkat penunjuk waktu paling akurat yang pernah ada. Ketepatan seperti itu akan merevolusi bidang-bidang seperti navigasi dan komunikasi luar angkasa.

Hal ini juga akan memungkinkan para ilmuwan untuk mengukur secara tepat apakah konstanta fundamental alam, pada kenyataannya, benar-benar konstan atau hanya tampak demikian karena kita belum mengukurnya dengan cukup tepat.

Kini, upaya yang dipimpin oleh Eric Hudson, profesor fisika dan astronomi di UCLA, telah mencapai hal yang tampaknya mustahil. Dengan menanamkan atom thorium di dalam kristal yang sangat transparan dan membombardirnya dengan laser, kelompok Hudson telah berhasil membuat inti atom thorium menyerap dan memancarkan foton seperti yang dilakukan elektron dalam atom. Prestasi yang mengagumkan ini dijelaskan dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Surat Ulasan Fisik.

Kemampuan Pengukuran yang Ditingkatkan

Ini berarti bahwa pengukuran waktu, gravitasi, dan medan lain yang saat ini dilakukan menggunakan elektron atom dapat dilakukan dengan tingkat akurasi yang jauh lebih tinggi. Alasannya adalah bahwa elektron atom dipengaruhi oleh banyak faktor di lingkungannya, yang memengaruhi cara mereka menyerap dan memancarkan foton dan membatasi akurasinya. Di sisi lain, neutron dan proton terikat dan sangat terkonsentrasi di dalam nukleus dan mengalami lebih sedikit gangguan lingkungan.

Dengan menggunakan teknologi baru, para ilmuwan mungkin dapat menentukan apakah konstanta fundamental, seperti konstanta struktur halus yang mengatur kekuatan gaya yang menyatukan atom, bervariasi. Petunjuk dari astronomi menunjukkan bahwa konstanta struktur halus mungkin tidak sama di mana-mana di alam semesta atau di semua titik waktu. Pengukuran yang tepat menggunakan jam nuklir dari konstanta struktur halus dapat sepenuhnya menulis ulang beberapa hukum alam yang paling mendasar ini.

“Gaya nuklir sangat kuat, artinya energi dalam nukleus sejuta kali lebih kuat daripada yang Anda lihat dalam elektron, yang berarti bahwa jika konstanta fundamental alam menyimpang, perubahan yang dihasilkan dalam nukleus jauh lebih besar dan lebih terlihat, membuat pengukuran menjadi jauh lebih sensitif,” kata Hudson. “Menggunakan jam nuklir untuk pengukuran ini akan memberikan uji ‘variasi konstan’ yang paling sensitif hingga saat ini dan kemungkinan tidak ada eksperimen dalam 100 tahun ke depan yang dapat menyainginya.”

Kelompok Hudson adalah yang pertama mengusulkan serangkaian percobaan untuk merangsang inti thorium-229 yang didoping ke dalam kristal dengan laser, dan telah menghabiskan 15 tahun terakhir bekerja untuk mencapai hasil yang baru dipublikasikan. Mendapatkan neutron dalam inti atom untuk bereaksi terhadap cahaya laser merupakan tantangan karena mereka dikelilingi oleh elektron, yang bereaksi dengan mudah terhadap cahaya dan dapat mengurangi jumlah foton yang benar-benar dapat mencapai inti. Sebuah partikel yang telah meningkatkan tingkat energinya, seperti melalui penyerapan fotodikatakan dalam keadaan “bersemangat”.

Tantangan dan Inovasi dalam Fisika Nuklir

Tim UCLA menanamkan atom thorium-229 dalam kristal transparan yang kaya akan fluorin. Fluorin dapat membentuk ikatan yang sangat kuat dengan atom lain, menahan atom dan mengekspos nukleus seperti lalat dalam jaring laba-laba. Elektron terikat sangat erat dengan fluorin sehingga jumlah energi yang dibutuhkan untuk membangkitkannya sangat tinggi, memungkinkan cahaya berenergi rendah mencapai nukleus. Nukleus thorium kemudian dapat menyerap foton ini dan memancarkannya kembali, sehingga eksitasi nukleus dapat dideteksi dan diukur. Dengan mengubah energi foton dan memantau laju eksitasi nukleus, tim tersebut dapat mengukur energi keadaan eksitasi nuklir.

“Kami belum pernah mampu menggerakkan transisi nuklir seperti ini dengan laser sebelumnya,” kata Hudson. “Jika Anda menahan thorium di tempatnya dengan kristal transparan, Anda dapat berbicara dengannya melalui cahaya.”

Hudson mengatakan teknologi baru ini dapat digunakan di mana pun ketepatan waktu yang ekstrem dibutuhkan dalam penginderaan, komunikasi, dan navigasi. Jam atom yang ada saat ini yang berbasis elektron adalah alat seukuran ruangan dengan ruang hampa untuk menjebak atom dan peralatan yang terkait dengan pendinginan. Jam nuklir berbasis thorium akan jauh lebih kecil, lebih kuat, lebih mudah dibawa, dan lebih akurat.

“Tidak ada yang tertarik dengan jam karena kami tidak menyukai gagasan tentang keterbatasan waktu,” katanya. “Namun, kami menggunakan jam atom setiap hari, misalnya, dalam teknologi yang membuat ponsel dan Bahasa Indonesia: GPS bekerja.”

Di atas dan di luar aplikasi komersial, spektroskopi nuklir baru dapat mengungkap beberapa misteri terbesar di alam semesta. Pengukuran sensitif terhadap inti atom membuka cara baru untuk mempelajari tentang sifat dan interaksinya dengan energi dan lingkungan. Hal ini, pada gilirannya, akan memungkinkan para ilmuwan menguji beberapa gagasan paling mendasar mereka tentang materi, energi, dan hukum ruang dan waktu.

“Manusia, seperti kebanyakan kehidupan di Bumi, ada dalam skala yang terlalu kecil atau terlalu besar untuk mengamati apa yang sebenarnya terjadi di alam semesta,” kata Hudson. “Apa yang dapat kita amati dari perspektif kita yang terbatas adalah kumpulan efek pada skala ukuran, waktu, dan energi yang berbeda, dan konstanta alam yang telah kita rumuskan tampaknya berlaku pada tingkat ini.

“Namun, jika kita dapat mengamati dengan lebih cermat, konstanta-konstanta ini mungkin benar-benar bervariasi! Pekerjaan kami telah mengambil langkah besar menuju pengukuran ini dan, dengan cara apa pun, saya yakin kita akan terkejut dengan apa yang kita pelajari.”

“Selama beberapa dekade, pengukuran konstanta fundamental yang semakin akurat telah memungkinkan kita untuk lebih memahami alam semesta pada semua skala dan selanjutnya mengembangkan teknologi baru yang menumbuhkan ekonomi kita dan memperkuat keamanan nasional kita,” kata Denise Caldwell, penjabat asisten direktur Direktorat Matematika dan Ilmu Fisika NSF, yang menyediakan dana untuk penelitian tersebut. “Teknik berbasis nukleus ini suatu hari nanti dapat memungkinkan para ilmuwan untuk mengukur beberapa konstanta fundamental dengan sangat akurat sehingga kita mungkin harus berhenti menyebutnya ‘konstanta.’”

Referensi: “Eksitasi Laser Transisi Isomerik Nuklir Th229 dalam Host Solid-State” oleh R. Elwell, Christian Schneider, Justin Jeet, JES Terhune, HWT Morgan, AN Alexandrova, HB Tran Tan, Andrei Derevianko dan Eric R. Hudson, 2 Juli 2024, Surat Ulasan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.013201

Penelitian ini didanai oleh Yayasan Sains Nasional AS.