Decennialang waren atoomklokken de gouden standaard voor tijdmeting. Nu hebben twee onafhankelijke onderzoeksteams iets gebouwd dat ze in de schaduw stelt: de eerste nucleaire klokken ter wereld.
Deze nieuwe tijdwaarnemers, ontwikkeld door groepen in de Verenigde Staten en Europa, gebruiken de kern van een atoom in plaats van de elektronen om de tijd bij te houden. Het resultaat is een klok die uiteindelijk stabieler en preciezer zou kunnen zijn dan welke atoomklok dan ook.
Een klok die tikt in de kern van het atoom
Atoomklokken werken door de energiesprongen van elektronen rond een atoom te meten. Nucleaire klokken gaan dieper. Ze meten energieovergangen in de kern zelf, een gebied dat veel minder wordt beïnvloed door externe verstoringen zoals magnetische velden of temperatuurveranderingen.
Het belangrijkste ingrediënt voor deze klokken is een zeldzame isotoop genaamd thorium-229. De kern heeft een unieke eigenschap: hij kan worden geëxciteerd door ultraviolet laserlicht, waardoor het mogelijk wordt een nucleaire overgang te triggeren en te meten. Wetenschappers hebben jarenlang naar deze mogelijkheid gestreefd.
Beide teams gebruikten thorium-229 atomen ingebed in een kristal. Ze beschoten de kernen met een precieze ultraviolette laser en telden de resulterende tikken. De experimenten vonden plaats in aparte laboratoria, één in de Verenigde Staten en één in Europa, en beide slaagden rond dezelfde tijd.
Waarom lokale onderzoekers en de wereld opletten
Voor natuurkundigen is dit een mijlpaal waar tientallen jaren aan is gewerkt. Het idee van een nucleaire klok werd voor het eerst voorgesteld in de jaren 1970, maar de technologie om het te realiseren kwam pas recent samen. Onderzoekers in het veld hebben de doorbraak een langverwachte prestatie genoemd.
De nieuwe klokken zijn nog niet klaar om atoomklokken in dagelijks gebruik te vervangen. Het zijn grote, delicate laboratoriumopstellingen. Maar de potentie is enorm. Nucleaire klokken zouden de GPS-nauwkeurigheid kunnen verbeteren, fundamentele natuurkundetheorieën kunnen testen en zelfs kleine veranderingen in fundamentele constanten in de loop van de tijd kunnen detecteren.
Lokale wetenschappers die bij de projecten betrokken waren, uitten hun opwinding over wat de klokken zouden kunnen onthullen. Het vermogen om tijd op dit niveau te meten, zou vensters kunnen openen naar donkere materie of andere verschijnselen die huidige instrumenten niet kunnen detecteren.
Een nieuw tijdperk voor tijdwaarneming
De komst van nucleaire klokken betekent niet dat atoomklokken verouderd zijn. Maar het markeert wel een verschuiving. Voor het eerst is tijdwaarneming verplaatst van de elektronenschil naar de kern. De precisiekloof tussen de twee soorten klokken wordt nog gemeten, maar vroege resultaten suggereren dat nucleaire klokken uiteindelijk hun atoomvoorgangers met een aanzienlijke marge zouden kunnen overtreffen.
Beide onderzoeksteams publiceerden hun resultaten in wetenschappelijke tijdschriften, en andere laboratoria werken al aan hun eigen versies. De race om nucleaire klokken te verfijnen en te miniaturiseren is begonnen.
