Mediciones de una clave descomposición radioactiva impulsan un reloj nuclear más cerca de la realidad.

Hickory dickory dock, este núcleo podría hacer un gran reloj.

Los científicos dicen que una variedad especial del elemento torio alberga un núcleo atómico que podría ser utilizado para medir el tiempo. Por primera vez, los investigadores han medido un tipo de descomposición de este núcleo de torio que libera una sola partícula de luz. Los investigadores informan en la edición del 25 de mayo de Nature que la medición de la energía liberada en la descomposición es siete veces más precisa que las estimaciones basadas en diferentes tipos de descomposiciones. La mejora en la medición de la energía podría impulsar el trabajo en el primer reloj nuclear, que seguiría los pasos de los relojes atómicos.

"Ya tenemos relojes atómicos increíbles que funcionan con gran precisión", dice el físico nuclear Sandro Kraemer de la KU Leuven en Bélgica. Esos relojes atómicos se basan en la física de los electrones que rodean un átomo. Un reloj nuclear se basaría en el núcleo del átomo. Algunos científicos creen que los relojes nucleares podrían ser aún más precisos que los relojes atómicos, que ya son herramientas tan poderosas que se usan desde satélites GPS hasta experimentos que prueban si las leyes fundamentales de la física son verdaderas.

La tecnología bien establecida de los relojes atómicos se basa en cómo los electrones de un átomo saltan a un estado de energía más alto. Se necesita una frecuencia específica de luz, con la cantidad justa de energía, para iniciar el salto. La oscilación de esa luz actúa como el tic tac de un reloj. Un reloj nuclear se basaría en saltos de energía similares realizados por un núcleo.

La mayoría de los núcleos atómicos tienen niveles de energía demasiado separados para permitir que los científicos provoquen el salto con un láser, una necesidad para construir un reloj. Pero una variedad particular, o isótopo, de torio llamada torio-229 tiene dos niveles de energía inusualmente cercanos, alrededor de 8 electrones voltios. Aún así, nadie ha podido provocar el salto con un láser porque el tamaño de esa brecha de energía no se conocía con precisión hasta ahora.

Kraemer y sus colegas midieron la energía liberada cuando los núcleos de torio-229 se descompusieron, bajando en energía desde su estado de alta energía. Primero, el equipo tuvo que llevar al torio-229 a ese estado de alta energía, que se llama isómero. Una forma de hacerlo es comenzar desde otro elemento que pueda descomponerse en el isómero de torio. Usando un haz radioactivo en la instalación ISOLDE del laboratorio de física europeo CERN cerca de Ginebra, el equipo incrustó actinio-229 en cristales de fluoruro de calcio y fluoruro de magnesio. El actinio-229 se descompuso, produciendo el isómero de torio-229.

Esta técnica ayudó a los científicos a sortear un punto crítico. Normalmente, el torio-229 se descompone de una manera que hace difícil medir la energía, transfiriendo su energía a un electrón y sacándolo del átomo. Una descomposición que emite una partícula de luz, o fotón, es mucho más fácil de medir, pero normalmente sólo ocurre una vez cada mil millones de descomposiciones.

Al incrustar el torio-229 en los cristales, se suprimió la descomposición que es más difícil de medir, haciendo que la descomposición de un solo fotón dominara. Esto permitió a los investigadores detectar los fotones individuales de las descomposiciones del isómero y medir su energía. Los investigadores estimaron que la descomposición tenía una energía de 8,338 electrones voltios. Esa cifra coincide con las mediciones anteriores de cuán separados están los dos niveles de energía, pero es mucho más precisa.

"Esto es un hito que la gente ha estado buscando", dice el físico cuántico Simon Stellmer de la Universidad de Bonn en Alemania, que no participó en el estudio. Las afirmaciones anteriores de haber detectado este tipo de descomposición no se han sostenido, dice Stellmer. "Esto parece ser la primera observación verdadera y real de esta descomposición isomérica".

Los físicos están trabajando ahora para usar un láser para provocar la transición de energía, pasando del estado de baja energía al isómero de alta energía, en el siguiente paso hacia la creación de un reloj nuclear. "De hecho, es algo que estamos intentando hacer en nuestro laboratorio", dice el físico Ekkehard Peik del Instituto Nacional de Metrología de Alemania en Braunschweig, que no participó en la nueva investigación. "Por eso estamos muy emocionados".

Un reloj nuclear podría proporcionar un nuevo ángulo sobre los fenómenos físicos. "Sería muy interesante comparar los relojes atómicos convencionales y los relojes nucleares porque la física subyacente... es diferente", dice Peik. Por ejemplo, los relojes nucleares podrían revelar variaciones sutiles en las constantes fundamentales de la naturaleza.

Otra ventaja de ir a lo nuclear: los relojes podrían ser hechos con núcleos dentro de un material sólido, en lugar de relojes atómicos, en los que los átomos deben ser suspendidos en una cámara de vacío. Eso significa que un reloj nuclear podría ser más estable y hacer mediciones más rápidamente, dice Kraemer.