Un nuevo enfoque para la investigación del torio-229 ofrece un amplio abanico de posibilidades
Un equipo de investigación internacional revela en Physical Review Research cómo se puede excitar la primera transición nuclear con láseres en el rango de longitud de onda visible
El isótopo de torio con el número de masa 229 (229Th) es muy emocionante en muchos sentidos, tanto para la física fundamental como para aplicaciones futuras, por ejemplo, en el sentido de un reloj nuclear. Un equipo de investigación internacional germano-chino-estadounidense con la participación del grupo del Prof. Dr. Dmitry Budker de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz ha propuesto ahora un enfoque completamente nuevo para estudiar 229Y en detalle. Los investigadores quieren usar iones de torio que tienen solo tres electrones en su capa de los 90 presentes en un átomo neutro. Tal sistema ofrece muchas ventajas, informan los investigadores en el último número de la revista Physical Review Research, incluido que la primera transición nuclear se puede excitar con láseres convencionales en el rango de longitud de onda visible. Esto, sin embargo, requiere que los iones circulen en un anillo de almacenamiento relativista.
Un laboratorio de pruebas para la nueva física
La particularidad del torio-229 es que su núcleo atómico, con el estado isomérico metaestable, el torio-229m tiene, con mucho, el nivel de energía excitado más bajo de todos los aproximadamente 3.800 núcleos atómicos conocidos actualmente. Por lo tanto, es la única transición nuclear potencialmente interrogable por láser, incluso sin el uso de anillos de almacenamiento. La medición extremadamente precisa de esta transición y de los dos estados nucleares abre perspectivas prometedoras y diversas.
Con este fin, los investigadores dirigidos por Dmitry Budker ahora proponen un nuevo enfoque, tanto en términos de «objeto de estudio» como de entorno experimental: utilizan iones altamente cargados, o HCI para abreviar, en particular aquellos en los que solo hay tres electrones. queda en la capa de electrones. En estos iones de torio altamente cargados, la interacción entre el electrón y el núcleo abre nuevas transiciones que pueden usarse para «poblar» efectivamente el estado isomérico nuclear. La idea es acelerar estos iones de torio casi a la velocidad de la luz en un acelerador de partículas. Desarrollan así un efecto de palanca, por así decirlo, para excitarlos lo más eficientemente posible con un láser convencional y así poder estudiarlos con mucha precisión. Más importante aún, se pueden abordar y usar múltiples estados excitados para «poblar» el estado isomérico que realmente es de interés.
La mayoría de los estudios previos de torio-229m se han centrado en átomos o iones no relativistas en estados de baja carga, lo que impone grandes exigencias a la fuente de luz requerida para la excitación, porque se necesita un láser de longitud d de onda extremadamente corta en el rango ultravioleta profundo. . “El hecho de que podamos usar un láser en el rango de longitud de onda visible (convencional) facilita los estudios espectroscópicos”, explica Dmitry Budker. “El hecho de que esto sea posible está relacionado con el hecho de que los iones de torio se aceleran casi a la velocidad de la luz. Debido a los efectos relativistas, perciben un rayo láser dirigido hacia ellos desde el frente como un rayo con una longitud de onda mucho más corta: para ellos, la luz láser convencional aparece como un láser UV”, agrega el primer autor Junlan Jin, actualmente estudiante de doctorado en Princeton. University, que anteriormente trabajó muy de cerca y con éxito con el grupo de Dmitry Budker en una pasantía remota.
En esta publicación, los autores describen los diferentes pasos necesarios para llevar a cabo su método: comienzan con la generación de un haz acelerado de iones de torio altamente cargados, con posibles anillos aceleradores en la instalación FAIR en construcción en GSI en Darmstadt, Alemania, o la Fábrica Gamma planificada en el CERN: los autores de la publicación actual de torio también están involucrados en las propuestas conceptuales para la realización de tal «superfuente de luz». Luego discuten en detalle diferentes escenarios para obtener la excitación más completa posible de los núcleos de torio, antes de centrarse en la detección de los estados excitados producidos y la transferibilidad a sistemas similares.
Conclusión del equipo de investigación: según su estimación, la energía del estado isomérico se puede medir con una precisión superior a 10-4 o incluso hasta menos de 10-6, que es una mejora de órdenes de magnitud del valor actual. Esto allanaría el camino para nuevas mejoras en la determinación de la energía del estado isomérico y ayudaría a responder preguntas fundamentales de la física usando el sistema del torio. “El desarrollo de un reloj nuclear no es tanto el foco de nuestra propuesta, porque para su realización, nuestro nuevo método presenta varios desafíos tecnológicos”, agrega Dmitry Budker. “Para nosotros, sin embargo, el torio es un gran ‘patio de recreo’ para abordar cuestiones fundamentales de la física, un laboratorio de pruebas para la nueva física, por así decirlo. Por ejemplo, queremos responder a la pregunta de si algunas constantes fundamentales de la naturaleza pueden no ser tan constantes, sino derivar u oscilar con el tiempo o el lugar. Además, uno puede imaginar pruebas de simetrías fundamentales y búsquedas de partículas o campos que van más allá del Modelo Estándar.
