Sensitivity of the $^{229m}$Th clock transition to the fine-structure constant in a Skyrme-Hartree-Fock-BCS approach

El tiempo no es solo una invención humana; es un ritmo fundamental del universo, medido por el tictac constante de los átomos y las vibraciones de la luz. Durante décadas, los cronómetros más precisos que hemos construido han sido los relojes atómicos, que rastrean los saltos de energía de los electrones que orbitan alrededor del núcleo de un átomo. Estos dispositivos se han vuelto tan sensibles que ahora los científicos los utilizan para buscar cambios en las leyes mismas de la física, investigando si las constantes fundamentales de la naturaleza cambian con el tiempo. Una de esas constantes es la constante de estructura fina, un número que dicta qué tan fuertemente interactúan las partículas con carga eléctrica. Si este número se desplazara aunque fuera ligeramente a lo largo de la historia del universo, reescribiría nuestra comprensión de la realidad. Si bien los relojes atómicos son excelentes, ha surgido un nuevo tipo de cronómetro desde el corazón del propio átomo. En lugar de electrones, este reloj depende de una transición nuclear rara en el isótopo torio-229. Este núcleo específico tiene un estado excitado, o una versión de "mayor energía", que se sitúa en un nivel de energía increíblemente bajo en comparación con los estados nucleares típicos. Debido a que la brecha de energía es tan pequeña, puede ser recorrida por láseres, lo que hace posible construir un reloj nuclear que es potencialmente mucho más sensible a los cambios en las constantes fundamentales del universo que cualquier reloj atómico anterior.

El desafío con este reloj nuclear es que su extrema sensibilidad depende de una cantidad que no puede medirse directamente en un laboratorio: la diferencia en la energía eléctrica entre el estado fundamental del núcleo y su estado excitado. Para comprender cuánto cambiaría el tic del reloj si la constante de estructura fina se desplazara, los físicos deben calcular esta diferencia de energía utilizando modelos complejos del núcleo. Durante años, estos cálculos han sido difíciles, produciendo a menudo resultados que eran demasiado altos o demasiado bajos para ser útiles, y frecuentemente no lograban reproducir la energía real medida del estado excitado. Sin un modelo fiable que acierte con la energía, la predicción de la sensibilidad del reloj sigue siendo incierta. Un equipo de investigadores ha abordado ahora este problema construyendo una simulación más detallada y flexible del núcleo de torio-229, con el objetivo de encontrar las condiciones precisas que permiten la existencia del estado excitado a una energía tan baja.

Los investigadores utilizaron un sofisticado modelo computacional basado en el enfoque Skyrme-Hartree-Fock-BCS, un método que trata al núcleo no como una bola rígida, sino como un fluido de protones y neutrones que pueden cambiar de forma e interactuar de maneras complejas. En su simulación, se centraron en dos características específicas que a menudo se pasan por alto o se simplifican en otros modelos: el apareamiento de neutrones y la forma del núcleo. Permitieron que el núcleo se estirara en una forma similar a una pera, una deformación conocida como deformación octupolar, que rompe la simetría del núcleo. También ajustaron la fuerza de las fuerzas de apareamiento entre los neutrones, que actúan como un pegamento que mantiene unido al fluido nuclear. Al ajustar cuidadosamente estos parámetros, el equipo buscó un punto específico donde la energía del estado excitado descendiera para coincidir con el valor experimental de 8.4 electron voltios, un nivel que había sido esquivo en intentos teóricos previos.

Lo que encontraron fue una región estrecha en sus cálculos donde los niveles de energía del estado fundamental y el estado excitado se acercaban increíblemente entre sí, casi cruzándose. En esta zona específica, definida por un equilibrio preciso de fuerzas de apareamiento y la forma de pera del núcleo, el modelo predijo con éxito una energía para el estado excitado que caía por debajo de los mil electron voltios, situándose muy cerca de los 8.4 electron voltios experimentales. Esto fue un avance significativo porque los modelos anteriores, que obligaban al núcleo a permanecer simétrico, no podían alcanzar estas energías tan bajas. La capacidad de reproducir el nivel de energía correcto dio a los investigadores la confianza de que su modelo estaba capturando las verdaderas condiciones físicas dentro del núcleo. Con un modelo fiable en mano, luego calcularon la diferencia de energía eléctrica entre los dos estados. Descubrieron que cuando se permite que el núcleo adopte esta forma de pera, la diferencia en la energía eléctrica es aproximadamente diez veces mayor de lo que predecían los modelos que mantenían el núcleo simétrico.

Esta mayor diferencia de energía tiene un impacto profundo en la sensibilidad del reloj nuclear. Los investigadores calcularon un factor que describe cuánto cambiaría la frecuencia del reloj en respuesta a un desplazamiento en la constante de estructura fina. Sus resultados sugieren que este factor de sensibilidad se encuentra probablemente entre mil y diez mil. Esto significa que el reloj nuclear de torio podría ser miles de veces más sensible a los cambios en la física fundamental que los relojes atómicos actuales. El estudio también reveló que las propiedades magnéticas del núcleo en este estado coinciden bien con las observaciones experimentales, confirmando aún más que su simulación está describiendo el núcleo real con precisión. Al demostrar que un modelo microscópico puede predecir consistentemente tanto la energía del estado como su sensibilidad a las constantes fundamentales, el trabajo proporciona una base teórica sólida para el desarrollo futuro de los relojes nucleares. Muestra que la clave para desbloquear todo el potencial de esta tecnología reside en comprender las sutiles deformaciones de forma de pera y el delicado apareamiento de las partículas dentro del núcleo, ofreciendo un camino más claro hacia la prueba de las leyes más profundas del universo.