Το σπάνιο ισότοπο που μπορεί να αποκαλύψει τη Σκοτεινή Ύλη

Το θόριο-229 είναι ένα σπάνιο ραδιενεργό ισότοπο το οποίο φαίνεται να κρύβει το κλειδί για τη δημιουργία ενός νέου τύπου πυρηνικού ρολογιού. Το τελευταίο θα έχει τέτοια ακρίβεια που θα μπορούσε να ανιχνεύσει ακόμη και τις πιο ανεπαίσθητες ενδείξεις Σκοτεινής Ύλης. Μια διεθνής ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετέχει το Weizmann Institute of Science, υποστηρίζει ότι η εκμετάλλευση των μοναδικών ιδιοτήτων αυτού του στοιχείου μπορεί να ανοίξει έναν εντελώς νέο δρόμο στην αναζήτηση της αινιγματικής αυτής μορφής ύλης, που υπολογίζεται ότι αποτελεί το 80% της συνολικής μάζας του Σύμπαντος.

Η Σκοτεινή Ύλη, αν και αόρατη, θεωρείται ότι αλληλεπιδρά διακριτικά με την ορατή ύλη, επηρεάζοντας την κίνηση των γαλαξιών και άλλες αστροφυσικές διαδικασίες. Παρά τις δεκαετίες προσπαθειών, από πειράματα σε επιταχυντές σωματιδίων έως αναζητήσεις ακτινοβολίας στο Διάστημα, η φύση της παραμένει άγνωστη. Οι επιστήμονες εκτιμούν πως ένα πυρηνικό ρολόι θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ο απόλυτος ανιχνευτής, ικανός να εντοπίζει αλληλεπιδράσεις ασύλληπτα πιο αδύναμες ακόμη και από τη βαρύτητα.

Η ιδέα βασίζεται στην αρχή ότι κάθε ατομικός πυρήνας έχει μια χαρακτηριστική συχνότητα ταλάντωσης, την αποκαλούμενη συχνότητα συντονισμού. Όταν η ακτινοβολία ταιριάζει απόλυτα με αυτή τη συχνότητα, ο πυρήνας μεταπηδά μεταξύ δύο κβαντικών καταστάσεων, χαμηλής και υψηλής ενέργειας, όπως ένα εκκρεμές που κινείται μπρος-πίσω. Στα περισσότερα υλικά, αυτή η συχνότητα είναι τόσο υψηλή που απαιτεί εξαιρετικά ισχυρή ακτινοβολία για να διεγερθεί ο πυρήνας. Το θόριο-229 όμως αποτελεί εξαίρεση. Από το 1976 είναι γνωστό ότι η συχνότητα συντονισμού του είναι ασυνήθιστα χαμηλή και μπορεί να ελεγχθεί με τεχνολογία laser, χρησιμοποιώντας υπεριώδη ακτινοβολία μικρής έντασης.

Αυτό καθιστά το θόριο-229 ιδανικό υποψήφιο για την κατασκευή ενός πυρηνικού ρολογιού, στο οποίο ο ρυθμός μέτρησης του χρόνου θα βασίζεται στις ταλαντώσεις του πυρήνα και όχι στα ηλεκτρόνια, όπως συμβαίνει στα σημερινά ατομικά ρολόγια. Η διαφορά είναι κρίσιμη: ενώ τα ηλεκτρόνια είναι ευαίσθητα σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές από το περιβάλλον, οι πυρήνες είναι πολύ λιγότερο επιρρεπείς, προσφέροντας έτσι μεγαλύτερη σταθερότητα.

Για σχεδόν πέντε δεκαετίες, η πρόοδος στη δημιουργία ενός τέτοιου ρολογιού μπλοκαριζόταν από μια βασική δυσκολία: την αδυναμία μέτρησης της συχνότητας συντονισμού του θορίου-229 με την απαιτούμενη ακρίβεια. Όλα άλλαξαν το περασμένο έτος, όταν δύο ομάδες έκαναν καθοριστικά βήματα. Το National Metrology Institute της Γερμανίας δημοσίευσε ακριβείς μετρήσεις, ενώ λίγους μήνες αργότερα το University of Colorado παρουσίασε αποτελέσματα που ήταν εκατομμύρια φορές πιο ακριβή.

Η είδηση αυτή τράβηξε την προσοχή της ομάδας θεωρητικής φυσικής του Gilad Perez στο Weizmann Institute of Science. Συνεργαζόμενοι με τους Γερμανούς ερευνητές, πρότειναν μια πρωτοποριακή μέθοδο ανίχνευσης Σκοτεινής Ύλης, βασισμένη όχι σε ένα έτοιμο πυρηνικό ρολόι, αλλά στην ακριβή παρακολούθηση του φάσματος απορρόφησης του θορίου-229. Σύμφωνα με τη θεωρία τους, τα κυματικά χαρακτηριστικά της σκοτεινής ύλης μπορούν να επιφέρουν ανεπαίσθητες μεταβολές στη μάζα των πυρήνων και να μετατοπίσουν προσωρινά τη συχνότητα συντονισμού τους.

Οι υπολογισμοί, με επικεφαλής τον Dr. Wolfram Ratzinger, έδειξαν ότι η μέθοδος αυτή θα μπορούσε να ανιχνεύσει δυνάμεις 100 εκατομμύρια φορές πιο αδύναμες από τη βαρύτητα. Η πρόκληση δεν είναι να βρεθεί μόνο μια αλλαγή στη συχνότητα κορυφής του φάσματος, αλλά να εντοπιστούν μοτίβα μεταβολών σε όλο το φάσμα απορρόφησης. Η ανάλυση αυτών των μοτίβων θα μπορούσε να αποκαλύψει όχι μόνο την παρουσία, αλλά και τη μάζα των σωματιδίων Σκοτεινής Ύλης που τα προκαλούν, επιτρέποντας την αξιολόγηση διαφορετικών θεωρητικών μοντέλων.

Παρότι οι μεταβολές αυτές δεν έχουν ακόμα παρατηρηθεί, οι επιστήμονες θεωρούν ότι έχουν πλέον θέσει τα θεμέλια για να αναγνωριστούν όταν εμφανιστούν. Τα επόμενα χρόνια, η διεθνής ερευνητική κοινότητα θα συνεχίσει να βελτιώνει τις μετρήσεις της συχνότητας συντονισμού του thorium-229, διαδικασία που απαιτεί μεγάλη τεχνολογική πρόοδο και υπομονή.

Εάν τελικά κατασκευαστεί ένα λειτουργικό πυρηνικό ρολόι, οι εφαρμογές του θα ξεπεράσουν την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης. Θα μπορούσε να επαναστατήσει στην πλοήγηση, τις τηλεπικοινωνίες, τη διαχείριση δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας και πολλές άλλες επιστημονικές περιοχές. Και το σημαντικότερο, θα προσφέρει ένα νέο παράθυρο για την κατανόηση της σκοτεινής πλευράς του Σύμπαντος, η οποία μέχρι σήμερα παραμένει κρυμμένη.

[via]