Presentan los primeros relojes nucleares basados en torio-229

Los artículos representan un avance importante dentro de un campo muy nuevo, ya que solo han pasado cinco años desde que la idea de un reloj nuclear se empezó a convertir en realidad. Ambos artículos son obviamente de muy buena calidad.  

Un aspecto muy importante es el hecho de que el proyecto realizado por el grupo de Pekín ha avanzado en poquísimo tiempo hasta el nivel de los grupos pioneros de Braunschweig, Viena y Boulder.  

Aunque la precisión del reloj nuclear todavía no alcanza la de los mejores relojes ópticos atómicos, su sensibilidad a determinadas formas hipotéticas de materia oscura es casi diez mil veces mayor que la de estos. En general, el reloj basado en el núcleo del torio-229 (Th-229) es un caso único en la física: es como poner en cada brazo de una balanza un petrolero distinto, y que resulte que sus pesos coincidan al nivel de un kilogramo. Así es el equilibrio de energías que determina la frecuencia del reloj nuclear en este caso realmente único y fascinante. El ‘kilogramo’ de esta analogía se puede medir ya con el reloj nuclear con una precisión de trece o catorce decimales. La consecuencia es que, si apareciera una partícula o interacción nueva, o hubiese fluctuaciones temporales de la física que conocemos, este equilibrio se trastocaría de lo suficiente como para poder medirlo. Así que el nuevo reloj permitirá explorar estas fronteras de la física conocida con mayor profundidad. La colaboración Viena-Braunschweig ya realiza un primer análisis de esta posibilidad. Esto les ha permitido excluir casi tres órdenes de magnitud en el rango posible de interacciones debidas a bosones escalares, que son partículas hipotéticas postuladas como materia oscura. 

Los experimentos son compactos. Aunque se basan en sistemas de láseres avanzados, estos requieren muchos menos medios de investigación que las grandes instalaciones de aceleradores y detectores que también se usan con estos fines. Por supuesto, el reloj nuclear no cubre todos los tipos de materia oscura que se han hipotetizado, pero tampoco lo hacen sus ‘hermanos mayores’ en centros de altas energías. 

Al alcanzar una precisión mayor que las de los experimentos anteriores, los nuevos resultados confirman y amplían lo que se sabía desde hace pocos años y demuestran que el reloj nuclear es ya capaz de excluir el rango de verosimilitud de ciertas hipótesis sobre la naturaleza de la materia oscura. Experimentos de alta precisión como estos permiten poner a prueba varias hipótesis que inducirían desviaciones con respecto a lo que se ha podido observar.  

[En cuanto a posibles limitaciones] Es lógico que en este poco tiempo aún no se hayan estudiado determinados aspectos de los sistemas experimentales. Se trata de los primeros relojes nucleares en el sentido aceptado por la muy exclusiva comunidad de ‘relojeros atómicos’, que está especializada en comparar sus resultados a nivel internacional hasta el dígito decimoctavo de precisión. Por ejemplo, la estabilidad de la temperatura de los cristales de fluoruro cálcico que contienen el isótopo torio-229 es técnicamente mejorable. La pureza y transparencia de los cristales también tendrá que mejorar. Pero los resultados demostrados por ambos grupos están ya a un nivel fabuloso. En pocos años veremos sucesivos avances en este campo fascinante: sopesar el equilibrio de dos interacciones fundamentales, la fuerte y la electromagnética-débil para estudiar o excluir la presencia de posibles factores hasta hoy desconocidos. 

En general, los relojes nucleares, (torio en particular) están actualmente considerados como el siguiente paso a los actuales relojes ópticos atómicos.   

Ahora mismo no hay muchos grupos que estén trabajando en este tipo de relojes, sé que en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los Estados Unidos (NIST) están también trabajando con ellos. Las ventajas que tienen frente a los actuales no es solo que puedan presentar una mayor exactitud (más allá de 10^-19), sino que presentan otras ventajas, como menos sensibilidad al entorno como a los campos eléctricos. Esta mayor exactitud permitirá investigaciones relacionadas con la física fundamental, como investigar la exactitud de las constantes fundamentales o la energía oscura.  

Pero falta mucho hasta llegar allí, estos trabajos son dos pasos más para conseguir la estabilidad y repetibilidad necesarias, de forma que estos relojes puedan compararse entre sí y con los actuales y puedan servir para la definición del segundo. Ambos trabajos se centran en el mismo isótopo de torio y se centran en demostrar que la transición nuclear es suficientemente reproducible como para poder ser un buen oscilador. Lo que buscan es validar una plataforma sólida para que se conviertan en relojes (el prerrequisito es que sean buenos osciladores reproducibles y repetitivos). En el trabajo chino, el reloj es unas seis veces más estable a corto plazo que el del trabajo austriaco, pero lo bueno que tiene el trabajo austriaco es que lo comparan con un reloj de Yb [iterbio].  

Ambos trabajos van en la línea de mejorar la configuración de los relojes de Th y tienen su importancia en el contexto futuro. Aunque no va a ser posible que este tipo de relojes realmente impacten en la nueva definición del segundo (sobre todo si se redefine en 2030, si se pospusiese tal vez tendrían una oportunidad), sin duda alguna van a jugar un papel importante a medio plazo en futuras revisiones o actualizaciones. 

La nota de prensa está clara respecto a lo que representan estos artículos: el primer reloj nuclear, un reloj óptico pero basado en una transición nuclear. Para mí, lo más extraordinario de esto es el hecho de poder controlar una transición nuclear con un láser y utilizarla para regular ese láser, lo cual ha tenido implicaciones técnicas y desarrollos muy relevantes. 

Los artículos son de muy buena calidad y consiguen un objetivo que se propuso en el año 2003: utilizar una transición entre un estado excitado del núcleo 229Th y su estado fundamental para contar el tiempo de forma similar a como se hace en relojes atómicos y ópticos, en ambos casos, utilizando el electrón más externo de un átomo. Este reloj, sin embargo, utilizaría la medida de la transición nuclear y contaría segundos a partir de la frecuencia (una frecuencia es un número de oscilaciones por segundo). Al ser un núcleo (y dado que el núcleo está más aislado que un electrón del átomo) sería más robusto frente a perturbaciones externas. Es un caso único, ya que las transiciones nucleares suelen ser de energías muy superiores para poderlas dirigir con láser. 

Para poder dirigir esta transición nuclear (inusualmente de muy baja energía para un núcleo) era necesario un láser emitiendo a una longitud de onda en torno a 148 nm (no alcanzable hace algunos años), por lo que se ha tenido que desarrollar en varios años y cada grupo presenta una alternativa diferente. Poder medir la energía de la transición ha conllevado décadas y hace dos años se midió difundiendo 229Th en un cristal CaF2 en un experimento de ISOLDE/CERN. La diferencia es que ahora no solo se observa (en su momento también fue un gran logro ver la fluorescencia de esta transición), sino que además se utiliza la señal del cristal para corregir la radiación láser cuya frecuencia se va a medir y que daría como resultado la conversión frecuencia-tiempo. Aún hay margen de mejora para conseguir estabilidades más altas y reproducibilidad, pero al tratarse de un núcleo y de un estado excitado de baja energía, la precisión puede ofrecer mayor sensibilidad para estudiar, por ejemplo, el origen y propiedades de la materia oscura. 

[En cuanto a posibles limitaciones] Actualmente, según lo que entiendo, pueden mejorar la estabilidad del reloj, que es lo que puede variar o fluctuar la medida de la frecuencia a lo largo del tiempo.