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

Il tempo non è solo un'invenzione umana; è un ritmo fondamentale dell'universo, misurato dal ticchettio costante degli atomi e dalle vibrazioni della luce. Per decenni, i cronometri più precisi che abbiamo costruito sono stati gli orologi atomici, che tracciano i salti di energia degli elettroni che ruotano attorno al nucleo di un atomo. Questi dispositivi sono diventati così sensibili che gli scienziati li usano ora per dare la caccia ai cambiamenti nelle stesse leggi della fisica, cercando di capire se le costanti fondamentali della natura cambino nel tempo. Una di queste costanti è la costante di struttura fine, un numero che determina quanto fortemente le particelle elettricamente cariche interagiscono tra loro. Se questo numero variasse anche solo leggermente nel corso della storia dell'universo, riscriverebbe la nostra comprensione della realtà. Sebbene gli orologi atomici siano eccellenti, un nuovo tipo di cronometro è emerso dal cuore stesso dell'atomo. Invece degli elettroni, questo orologio si basa su una rara transizione nucleare dell'isotopo torio-229. Questo specifico nucleo possiede uno stato eccitato, o una versione a "energia più alta", che si colloca a un livello di energia incredibilmente basso rispetto ai tipici stati nucleari. Poiché il divario energetico è così piccolo, può essere colmato dai laser, rendendo possibile la costruzione di un orologio nucleare che è potenzialmente molto più sensibile ai cambiamenti delle costanti fondamentali dell'universo rispetto a qualsiasi orologio atomico precedente.

La sfida con questo orologio nucleare è che la sua estrema sensibilità dipende da una quantità che non può essere misurata direttamente in laboratorio: la differenza di energia elettrica tra lo stato fondamentale del nucleo e il suo stato eccitato. Per capire quanto il "ticchettio" dell'orologio cambierebbe se la costante di struttura fine variasse, i fisici devono calcolare questa differenza di energia utilizzando modelli nucleari complessi. Per anni, questi calcoli sono stati difficili, producendo spesso risultati troppo alti o troppo bassi per essere utili, e spesso non riuscivano a riprodurre l'energia effettiva misurata dello stato eccitato. Senza un modello affidabile che fornisca l'energia corretta, la previsione della sensibilità dell'orologio rimane incerta. Un team di ricercatori ha affrontato questo problema costruendo una simulazione più dettagliata e flessibile del nucleo di torio-229, con l'obiettivo di trovare le condizioni precise che permettono allo stato eccitato di esistere a un'energia così bassa.

I ricercatori hanno utilizzato un sofisticato modello informatico basato sull'approccio Skyrme-Hartree-Fock-BCS, un metodo che tratta il nucleo non come una pallina rigida, ma come un fluido di protoni e neutroni che può cambiare forma e interagire in modi complessi. Nella loro simulazione, si sono concentrati su due caratteristiche specifiche che vengono spesso trascurate o semplificate in altri modelli: l'accoppiamento dei neutroni e la forma del nucleo. Hanno permesso al nucleo di deformarsi in una forma simile a una pera, una deformazione nota come deformazione ottupolo, che rompe la simmetria del nucleo. Hanno anche regolato la forza delle forze di accoppiamento tra i neutroni, che agiscono come una colla che tiene insieme il fluido nucleare. Calibrando attentamente questi parametri, il team ha cercato un punto specifico in cui l'energia dello stato eccitato scendesse fino a corrispondere al valore sperimentale di 8,4 elettronvolt, un livello che era stato elusivo nei precedenti tentativi teorici.

Ciò che hanno scoperto è stata una stretta regione nei loro calcoli in cui i livelli di energia dello stato fondamentale e dello stato eccitato si avvicinavano incredibilmente, quasi incrociandosi. In questa zona specifica, definita da un preciso equilibrio tra le forze di accoppiamento e la forma a pera del nucleo, il modello ha previsto con successo un'energia per lo stato eccitato che scendeva sotto i mille elettronvolt, avvicinandosi molto agli 8,4 elettronvolt sperimentali. Questo è stato un progresso significativo perché i modelli precedenti, che costringevano il nucleo a rimanere simmetrico, non potevano raggiungere queste energie così basse. La capacità di riprodurre il livello energetico corretto ha dato ai ricercatori la fiducia che il loro modello stesse catturando le vere condizioni fisiche all'interno del nucleo. Con un modello affidabile in mano, hanno poi calcolato la differenza di energia elettrica tra i due stati. Hanno scoperto che, quando il nucleo può assumere questa forma a pera, la differenza di energia elettrica è circa dieci volte superiore rispetto a quanto previsto dai modelli che mantenevano il nucleo simmetrico.

Questa maggiore differenza di energia ha un impatto profondo sulla sensibilità dell'orologio nucleare. I ricercatori hanno calcolato un fattore che descrive quanto la frequenza dell'orologio cambierebbe in risposta a uno spostamento della costante di struttura fine. I loro risultati suggeriscono che questo fattore di sensibilità sia probabilmente compreso tra mille e diecimila. Ciò significa che l'orologio nucleare al torio potrebbe essere migliaia di volte più sensibile ai cambiamenti della fisica fondamentale rispetto agli attuali orologi atomici. Lo studio ha anche rivelato che le proprietà magnetiche del nucleo in questo stato corrispondono bene alle osservazioni sperimentali, confermando ulteriormente che la loro simulazione sta descrivendo accuratamente il vero nucleo. Dimostrando che un modello microscopico può prevedere coerentemente sia l'energia dello stato che la sua sensibilità alle costanti fondamentali, questo lavoro fornisce una solida base teorica per lo sviluppo futuro degli orologi nucleari. Dimostra che la chiave per sbloccare tutto il potenziale di questa tecnologia risiede nella comprensione delle sottili deformazioni a forma di pera e del delicato accoppiamento delle particelle all'interno del nucleo, offrendo una via più chiara per testare le leggi più profonde dell'universo.