Le misurazioni di una chiave di decadimento radioattivo spingono un orologio nucleare più vicino alla realtà.

Hickory dickory dock, questo nucleo potrebbe fare un ottimo orologio.

Una particolare varietà dell'elemento torio ospita un nucleo atomico che potrebbe essere utilizzato per tenere il tempo, dicono gli scienziati. Per la prima volta, i ricercatori hanno misurato un tipo di decadimento di questo nucleo di torio che rilascia una singola particella di luce. La misura dell'energia rilasciata nel decadimento è sette volte più precisa rispetto alle stime basate su diversi tipi di decadimenti, riferiscono i ricercatori nella pubblicazione Nature del 25 maggio. Il miglioramento della misura dell'energia potrebbe stimolare il lavoro verso il primo orologio nucleare, che seguirebbe le orme degli orologi atomici.

"Abbiamo già incredibili orologi atomici che funzionano in modo molto preciso", dice il fisico nucleare Sandro Kraemer dell'Università KU Leuven in Belgio. Quegli orologi atomici si basano sulla fisica degli elettroni che circondano un atomo. Un orologio nucleare sarebbe basato sul nucleo dell'atomo. Alcuni scienziati credono che gli orologi nucleari potrebbero essere ancora più precisi degli orologi atomici, che sono strumenti così potenti da essere utilizzati in tutto, dai satelliti GPS agli esperimenti che verificano se le leggi fondamentali della fisica sono vere.

La tecnologia ben consolidata degli orologi atomici si basa su come gli elettroni di un atomo passano a uno stato di energia superiore. Serve una specifica frequenza di luce, con la giusta quantità di energia, per avviare il salto. L'oscillazione di quella luce funge da ticchettio di un orologio. Un orologio nucleare sarebbe basato su salti energetici simili effettuati da un nucleo.

La maggior parte dei nuclei atomici ha livelli energetici troppo distanti tra loro per permettere agli scienziati di innescare il salto con un laser, necessario per costruire un orologio. Ma una particolare varietà, o isotopo, di torio chiamata torio-229 ha due livelli energetici insolitamente vicini tra loro, circa 8 electron volt. Tuttavia, nessuno è stato in grado di innescare il salto con un laser, perché la dimensione di quella separazione energetica non era precisamente nota fino ad ora.

Kraemer e colleghi hanno misurato l'energia rilasciata quando i nuclei di torio-229 sono decaduti, passando da un livello energetico più alto. In primo luogo, il team ha dovuto mettere il torio-229 in quello stato a più alta energia, chiamato isomero. Un modo per farlo è partire da un altro elemento che può decadere nell'isomero del torio. Utilizzando un fascio radioattivo presso l'installazione ISOLDE presso il laboratorio europeo di fisica CERN vicino a Ginevra, il team ha incorporato attinio-229 in cristalli di fluoruro di calcio e fluoruro di magnesio. L'attinio-229 è decaduto, producendo l'isomero di torio-229.

Questa tecnica ha aiutato gli scienziati a superare un punto di stallo. Normalmente, il torio-229 decade in un modo che rende l'energia difficile da misurare, trasferendo la sua energia a un elettrone e facendo uscire l'atomo. Un decadimento che emette una particella di luce, o fotone, è molto più facile da misurare, ma normalmente accade solo una volta ogni miliardo di decadimenti.

Incorporando il torio-229 nei cristalli, si è soppresso il decadimento che è più difficile da misurare, facendo sì che il decadimento a singolo fotone sia predominante. Ciò ha permesso ai ricercatori di rilevare i singoli fotoni dei decadimenti dell'isomero e di misurarne l'energia. I ricercatori hanno stimato che il decadimento aveva un'energia di 8,338 electron volt. Tale cifra è in accordo con le precedenti misurazioni su quanto distanti siano i due livelli energetici, ma è molto più precisa.

"Questo è un traguardo che le persone cercavano", afferma il fisico quantistico Simon Stellmer dell'Università di Bonn in Germania, che non ha partecipato allo studio. Le precedenti dichiarazioni di rilevamento di questo tipo di decadimento non sono state confermate, afferma Stellmer. "Questo sembra essere la prima vera e reale osservazione di questo decadimento a isomero".

I fisici stanno ora lavorando per utilizzare un laser per innescare la transizione energetica, passando dallo stato a bassa energia all'isomero ad alta energia, nel prossimo passo verso la creazione di un orologio nucleare. "In realtà è qualcosa che stiamo cercando di fare nel nostro laboratorio", afferma il fisico Ekkehard Peik dell'Istituto nazionale di metrologia della Germania a Braunschweig, che non ha partecipato alla nuova ricerca. "Ecco perché siamo molto entusiasti".

Un orologio nucleare potrebbe fornire un nuovo punto di vista sui fenomeni fisici. "Sarebbe molto interessante confrontare gli orologi atomici convenzionali e quelli nucleari perché la fisica alla base... è diversa", afferma Peik. Ad esempio, gli orologi nucleari potrebbero rivelare sottili variazioni nelle costanti fondamentali della natura.

Un altro vantaggio di andare sulla via nucleare: gli orologi potrebbero essere fatti con nuclei all'interno di un materiale solido, al contrario degli orologi atomici, in cui gli atomi devono essere sospesi all'interno di una camera a vuoto. Ciò significa che un orologio nucleare potrebbe essere più stabile e fare misurazioni più rapidamente, dice Kraemer.