物理学の進歩により核時計が現実に近づく

10億年も動いていても1秒たりとも遅れないほど安定して時を刻む時計を想像してみてほしい。科学者たちは今、そのレベルの計時精度の実現にかつてないほど近づいていることが、新たな研究で明らかになった。

このような装置は、原子の電子の制御されたエネルギージャンプを通じて1秒の範囲を定義し、現在時間測定の精度の頂点にある原子時計の能力をはるかに上回るものとなるだろう。原子時計では、原子を励起する信号が1秒間に数十億回の周波数で振動する。

研究者たちは最近、さらに扱いにくい対象である原子核の振動を誘発して測定することで、この精度を高めることができる技術を開発した。この原子核時計では、科学者たちは固体結晶に埋め込まれたトリウム 229 原子の核粒子を紫外線で励起した。次に、光周波数コムと呼ばれるツールを使って紫外線信号の波を数えることで、原子核に影響を及ぼすエネルギーパルスの周波数 (通常の時計の振り子に相当する) を測定した。

原子核内でエネルギーのジャンプを引き起こすには、原子時計に必要な周波数よりもはるかに高い周波数の信号が必要です。1 秒あたりの波のサイクル数が増えるため、このアプローチではより正確な時間測定が可能になると期待されています。

彼らの原子時計はまだ開発中だが、実現すれば時間計測だけでなく物理学の研究も一変し、科学者が宇宙の構造を調査する方法にも影響を与える可能性がある。9月4日にネイチャー誌に掲載された研究によると、プロトタイプはまだ原子時計ほど正確ではないが、将来のバージョンはより正確で安定する可能性があるという。

研究者らがこれらの信号の生成と測定が可能であることを示した今、「精度をさらに向上させるためにできることはたくさんある」と、コロラド大学ボルダー校と国立標準技術研究所が資金提供している共同研究センター、JILAのジュン・イェ博士の研究室の大学院生で、研究の共著者であるチュアンクン・チャン氏は述べた。

例えば、調整には原子核に照射するレーザーの位置や周波数の微調整も含まれる可能性があるとチャン氏はCNNに語った。

「この研究はまさに核時計の夜明けを示すものだ」と、この研究には関わっていないテキサスA&M大学の著名な物理学教授オルガ・コチャロフスカヤ博士は語った。

2023年、コチャロフスカヤ氏と他の研究者らは、原子核時計の候補としてスカンジウム45原子核をテストした。当時、これらの原子は原子核でこれまでに観測された中で最も強力なエネルギー遷移と測定可能なパルスを生成したが、トリウム229の新しい結果はより強い信号を生成し、より安定していたとコチャロフスカヤ氏はCNNに電子メールで語った。

「この論文が核時計の現実性に確信を与えていることが、より大きな意義を持つ」と彼女は語った。「この論文は、そのような時計が実現可能であり、すぐに構築されることに疑いの余地がない」

何度も何度も

原子時計では、原子の電子に特定の周波数の電磁波が照射される。エネルギーの爆発によって電子が励起され、原子の周りのより高い軌道に押し上げられる。NASA によると、電子の状態遷移を引き起こす振動が時間の経過を示すという。

原子時計の信頼性は、同期がずれやすい水晶の振動で秒を計測する日常の時計よりもはるかに高い。原子時計は数十年にわたり、GPS技術、宇宙探査、国際時間の維持に使用されてきた。

しかし、原子時計も同期が失われる危険性がある。電磁気の乱れにより励起電子が乱され、計時の精度に影響が出る可能性があると張氏は言う。

一方、原子核内の粒子は電子よりも動かしにくい。陽子と中性子は、すべての基本的な力の中で最も強力な強い核力によってしっかりと結びついている。原子核の遷移を引き起こすことができる波長はより高い周波数で振動し、より正確な時間測定を可能にすると研究者らは報告した。

この研究以前にも、原子核時計の開発にはいくつかの重要な進歩があった。最初の発見は1976年で、トリウム原子核は「独特の低エネルギー」を持ち、真空紫外線（VUV）レーザー光を使って励起状態にすることができるという発見だった。研究によると、2003年までに科学者らは、トリウムは原子核を励起するのに他のほとんどの種類の原子よりも少ないエネルギーしか必要としないため、同位体トリウム229が原子核時計の有力候補になるだろうと提唱していた。

2023年、科学者たちはトリウム229を結晶に埋め込む方法を開発しました。この固体システムは原子核崩壊からの信号を抑制し、目的の信号の追跡を容易にしました。今年初め、他の研究者はトリウム229の原子核を励起するために必要なVUV光の波長を測定しました。

「私たちの研究は、その上に構築されています」と張氏は語った。「周波数コム光源とこの結晶により、原子核遷移とさまざまな遷移エネルギーを励起することができました。」張氏はさらに、彼らの結果は以前の測定よりも約100万倍正確だったと付け加えた。

「この論文はまさに傑作だ」とカリフォルニア大学バークレー校の物理学科准教授兼学科長シモン・コルコウィッツ博士は語った。

「この新しい論文のデータの質と、驚くべき結果が得られたスピードは本当に驚くべきものだ」と、この研究には関わっていないコルコウィッツ氏は語った。「これは物理学者が何十年も取り組んできた原子核時計の開発における大きな前進だ」

物理学の革命

原子時計の精度と安定性は、すでに科学者に地震、重力場、時空を研究するための重要なツールを提供している。これらの分野は、原子時計によって「大きな後押し」を受ける可能性があるとコチャロフスカヤ氏は述べた。原子時計は、原子時計とは異なり、高真空状態、極度の冷却、磁気および電気の妨害からの強力な遮蔽を必要としないため、より正確であるだけでなく、よりシンプルで持ち運びやすいと彼女は述べた。

チャン氏によると、原子時計と並んで原子時計を使用することで、物理学の研究自体に革命が起こる可能性がある。2種類の時計の周波数比を長期にわたって監視し比較することで、科学者は基礎物理学の定数が見た目どおりに本当に一定なのか、それともこれまでは測定できないほど微小なレベルで変化しているのかを判断できる可能性があるとチャン氏は述べた。

このペア時計技術は、宇宙の80％を占めるがこれまで直接測定されたことのない謎の物質である暗黒物質の研究に革命をもたらす可能性があると彼は付け加えた。

一部の科学者は、暗黒物質は電子、クォーク、グルーオンなどの粒子と相互作用するが、その量は現時点では検出できないと提唱している。

「我々は、暗黒物質が原子核と、原子内の電子軌道とは少し異なる方法で相互作用するかどうかを知りたいのです」と張氏は言う。「原子核時計と原子時計の遷移周波数比が時間とともに変化しているなら、それは新しい物理学の兆候となるでしょう。」

核時計が原子時計の性能を上回る、あるいは原子時計に取って代わるまでには、まだ多くの進歩が必要だが、今回の発見は、そのような時がそう遠くないことを示唆しているとコルコウィッツ氏は述べた。

「より優れた紫外線レーザー源が開発され、原子時計の謎やトリックの一部が解明されるにつれ、現在私の研究室で行っている、相対性理論を検証し、原子時計で新しい物理学を探す実験のいくつかは、最終的には原子時計で行われるようになると期待しています」とコルコウィッツ氏は語った。

核時計の今後はどうなるのでしょうか? 現時点では、時間が経てばわかるでしょう。

ミンディ・ワイスバーガーは科学ライター兼メディアプロデューサーであり、その作品はLive Science、Scientific American、How It Works誌に掲載されています。