Arloġġi tat-torju għadhom lura mill-arloġġi ottiċi atomiċi

Timijiet fi Vjenna u Beijing bnew l-ewwel arloġġi li jżommu lejżer irranġat fuq tranżizzjoni ġewwa nukleu atomiku, bl-użu tat-torju-229 bħala referenza (Reuters). B’hekk idea li ilha teżisti saret apparat li jaħdem f’laboratorju. Kyle Beloy, fiżiku fin-NIST, qal lil Chemical & Engineering News li l-prototipi għadhom “bogħod b’diversi ordnijiet ta’ kobor” mill-aqwa arloġġi atomiċi ottiċi f’dak li għandu x’jaqsam mal-eżattezza u l-istabbiltà (C&EN).

Il-fiżiċi jridu jużaw in-nukleu bħala referenza għax dan jirreaġixxi għal forzi differenti minn dawk li jaffettwaw l-elettroni, li fuqhom jiddependu l-arloġġi atomiċi tas-soltu. It-tqabbil bejn iż-żewġ tipi ta’ arloġġ jiftaħ mod ġdid kif jiġi vverifikat jekk il-liġijiet tan-natura jibqgħux eżattament l-istess.

Kif kristall isir arloġġ

Iż-żewġ timijiet jgħaddu dawl tal-lejżer ultravjola minn kristalli li fihom it-torju-229 u jfittxu tnaqqis żgħir fl-intensità tad-dawl li joħroġ (To Brief). Dan it-tnaqqis jidher meta l-lejżer jilħaq il-frekwenza eżatta li jassorbu n-nuklei. Il-fiżiċi jsejħu dan il-punt ir-reżonanza.

Li jinstab dan it-tnaqqis darba huwa faċli meta mqabbel maż-żamma tal-lejżer fuq l-istess frekwenza. Għalhekk it-timijiet ikejlu l-assorbiment ftit ’il fuq u ftit ’l isfel mill-frekwenza magħżula. Jekk il-lejżer ikun eżatt fiċ-ċentru, iż-żewġ naħat jassorbu l-istess ammont. Jekk il-frekwenza tiegħu titbiegħed, naħa waħda tassorbi aktar, u dan l-iżbilanċ jgħid lis-sistema ta’ kontroll f’liema direzzjoni għandha tirranġa l-lejżer.

Immaġina li qiegħed fuq quċċata ta’ għolja fiċ-ċpar. Ma tistax tara s-samit, iżda jekk tagħmel pass lejn ix-xellug u ieħor lejn il-lemin, tinduna f’liema direzzjoni l-art nieżla. Din il-korrezzjoni kontinwa tbiddel il-lejżer f’arloġġ.

Tliet modi kif arloġġ jista’ ma jkunx preċiż biżżejjed

Miżien tal-kamra tal-banju u piż ta’ kalibrazzjoni jgħinu biex jinfirdu tliet kunċetti. L-istabbiltà tkejjel kemm tvarja l-qari waqt li l-piż ikun fuq il-miżien. Ir-riproduċibbiltà tkejjel jekk għada l-miżien jurix l-istess numru għall-istess piż. L-eżattezza tkejjel jekk in-numru jaqbilx mal-massa vera tal-piż.

Biex ikejlu l-istabbiltà, il-fiżiċi jużaw “koeffiċjent tal-instabbiltà”: kemm tvarja r-rata tal-arloġġ, bħala medja tul iż-żmien. Iktar ma jkun baxx, aħjar. Beijing irrapporta 5 × 10⁻¹³ minn reġistrazzjoni ta’ 3.8 sigħat (manuskritt ta’ Beijing). L-arloġġ ta’ Vjenna ħadem waħdu għal ġurnata sħiħa u rrapporta 3 × 10⁻¹² (artiklu ta’ Nature dwar Vjenna).

Bħala tqabbil, arloġġ atomiku tal-jone tal-aluminju deskritt fi studju ppubblikat jilħaq madwar 3.5 × 10⁻¹⁶ (studju dwar l-arloġġ tal-jone tal-aluminju, reġistru tan-NIST). Kull pass fl-esponent ifisser differenza ta’ għaxar darbiet; din hija d-differenza li qed jiddeskrivi Beloy. Iż-żewġ timijiet li qed jiżviluppaw arloġġi nukleari użaw konfigurazzjonijiet u ħinijiet ta’ medja differenti, għalhekk in-numru aktar baxx ta’ Beijing ma jfissirx li l-arloġġ tiegħu huwa aħjar b’mod ġenerali.

Dawn iċ-ċifri juru biss il-varjazzjoni fuq żmien qasir. L-ebda tim ma ppreżenta rendikont sħiħ tal-eżattezza, jiġifieri verifika ta’ kull effett li jista’ jbiegħed arloġġ mill-frekwenza vera tiegħu. Għalhekk id-differenza fl-eżattezza għadha ma tistax tingħata b’ċifri.

Mira li ma tibqax f’postha

Il-quċċata mkejla tal-assorbiment hija wiesgħa wkoll. Il-quċċata li għażel Beijing kienet mifruxa fuq madwar 27 kilohertz (Physics World). Quċċata wiesgħa hija mira mċajpra: is-sistema ta’ kontroll issibha aktar diffiċli biex tidentifika ċ-ċentru eżatt tagħha.

It-tieni diffikultà dehret fi Vjenna. It-tim mexxa r-raġġ tal-lejżer bejn ħames punti fl-istess kristall u sab li ċ-ċentru tar-reżonanza kien ivarja sa madwar 1.7 kilohertz, filwaqt li t-tixrid każwali tal-kejl seta’ jispjega biss madwar 0.13 kilohertz (manuskritt ta’ Vjenna). Fi kliem ieħor, il-frekwenza ta’ referenza li dehret li kienet qed titkejjel inbidlet skont fejn waqa’ r-raġġ, bħalma miżien jagħti qari differenti skont fejn tpoġġi l-piż fuqu.

It-tim għadu ma identifikax il-kawża, u fost is-soluzzjonijiet li qed jipproponi hemm rotta tar-raġġ li tirrepeti ruħha eżattament. Din l-irregolarità tgħin biex tispjega għaliex il-frekwenzi mkejla fi ġranet differenti fi Vjenna qablu biss sa madwar 5 × 10⁻¹³ (artiklu ta’ Nature dwar Vjenna), b’inqas preċiżjoni milli tissuġġerixxi kwalunkwe kejl wieħed.

Dak li wrew Vjenna u Beijing huwa riżultat konkret: in-nuklei ġewwa kristall jistgħu jmexxu lejżer u jżommuh imqabbel magħhom għal sigħat, saħansitra għal ġurnata sħiħa. L-istabbiltà mkejla tagħhom għadha ferm inferjuri għal dik tal-aqwa arloġġi ottiċi, u l-eżattezza tagħhom għadha ma ġietx evalwata. L-atomu taċ-ċesju għadu jiddefinixxi s-sekonda uffiċjali (BIPM). Il-pass li jmiss huwa ċar: kejl ripetut fuq diversi jiem u bejn apparati differenti, b’kull bidla sistematika kkunsidrata, u mbagħad tqabbiliet fit-tul mal-arloġġi ottiċi.