Los relojes atómicos son, hasta la fecha, los más precisos del mundo. Basados en transiciones periódicas entre dos estados electrónicos de un átomo, pueden seguir el paso del tiempo con una precisión extremadamente elevada, sin perder ni ganar un segundo en 30.000 millones de años, más del doble de la edad del universo.
En un artículo publicado hoy en Nature, un equipo internacional de la instalación de física nuclear ISOLDE del CERN informa de un paso clave hacia la construcción de un nuevo reloj nuclear todavía más preciso que el atómico, que se basaría en una transición periódica entre dos estados de un núcleo atómico: el núcleo de un isótopo del elemento torio, el torio-229.
Un reloj nuclear de este tipo podría ser más exacto que los relojes atómicos más precisos de la actualidad, debido principalmente a las diferencias de tamaño y composición que existen entre un núcleo atómico y un átomo. Además, podría servir como una nueva herramienta de gran sensibilidad con la que buscar nuevos fenómenos más allá del Modelo Estándar. Por ejemplo, podría permitir a los investigadores detectar variaciones en el tiempo de las constantes fundamentales de la naturaleza o buscar materia oscura ultraligera.
Desde 2003, cuando Ekkehard Peik y Christian Tamm propusieron un reloj nuclear basado en la transición entre el estado fundamental del núcleo de torio-229 y su primer estado de energía inmediatamente superior (llamado isómero), la comunidad investigadora se puso manos a la obra con el fin de observar y caracterizar esta transición nuclear.
En las dos últimas décadas, los investigadores han medido cada vez con mayor precisión la energía del isómero, cuyo valor exacto es necesario para desarrollar láseres que impulsen la transición desde el estado fundamental al isómero y así poder crear los relojes nucleares. Sin embargo, hasta el momento no se había observado la luz emitida en la transición desde el isómero al estado fundamental. Este fenómeno, conocido en la jerga de los físicos nucleares como "desintegración radiactiva del isómero", es un ingrediente clave para desarrollar un reloj nuclear, ya que permitiría, entre otras cosas, determinar con mayor precisión la energía del isómero.
El equipo de ISOLDE ha logrado esta hazaña produciendo núcleos de torio-229 en estado isomérico de una forma novedosa e investigando los núcleos mediante una técnica denominada "espectroscopia ultravioleta al vacío". La longitud de onda de la luz observada por ISOLDE corresponde a una energía del isómero de 8,338 electronvoltios (eV) con una incertidumbre de 0,024 eV, un valor siete veces más preciso que las mediciones anteriores más precisas.
Un factor importante para el éxito del equipo fue la producción de núcleos isoméricos de torio-229 mediante la llamada "desintegración beta de isótopos de actinio-229", que se fabricaron en ISOLDE y se incorporaron a cristales de fluoruro de calcio o de fluoruro de magnesio.
"ISOLDE es actualmente una de las dos únicas instalaciones del mundo capaces de producir isótopos de actinio 229", explica Sandro Kraemer, autor principal del artículo. "Al incorporar estos isótopos en cristales de fluoruro de calcio o de fluoruro de magnesio, produjimos muchos más núcleos isoméricos de torio-229 y aumentamos nuestras posibilidades de observar su desintegración radiactiva".
Este novedoso método de producción de núcleos de torio-229 también permitió determinar el tiempo de vida del isómero en el cristal de fluoruro de magnesio. Conocer este tiempo de vida es necesario para predecir la precisión de un reloj nuclear de torio-229 basado en un sistema de estado sólido como es el cristal de fluoruro de magnesio. Los investigadores de ISOLDE han medido este valor obteniendo 16,1 minutos con una incertidumbre de 2,5 minutos, un resultado que muestra que el tiempo de vida del isómero en el cristal es largo, lo que confirma las estimaciones teóricas e indica que es posible lograr una precisión para el reloj nuclear que desafíe y supere la de los relojes atómicos más precisos de la actualidad.
"Los sistemas de estado sólido, como los cristales de fluoruro de magnesio, son uno de los dos escenarios posibles para construir un futuro reloj nuclear de torio-229", afirma el portavoz del equipo, Piet Van Duppen. "Nuestro estudio marca un paso crucial en esta dirección, y facilitará el desarrollo de los láseres necesarios para impulsar la transición periódica que conseguiría el tic-tac del reloj nuclear".
Participación española en la colaboración internacional ISOLDE
En la instalación científica ISOLDE trabajan activamente cerca de 1000 investigadores y más de 50 experimentos toman datos cada año en este complejo. España se encuentra entre los 16 paises que participan en esta colaboración internacional. Las instituciones españolas que forman parte de ISOLDE son la Universidad de Huelva, el Grupo de Física Nuclear y el Instituto de Física de Partículas y del Cosmos (IPARCOS) de la Universidad Complutense de Madrid, el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), el Instituto de Estructura de la Materia del CSIC, la Universidad Autónoma de Madrid, la Universidad de Santiago de Compostela, la Universidad de Sevilla y el Centro Nacional de Aceleradores.
