Relógios de tório tornam busca mais precisa

Todo o relógio precisa de uma referência estável: um pêndulo oscilante, um cristal de quartzo vibrante ou, nos melhores relógios atómicos, a frequência exacta da luz que um átomo absorve. Equipas de Viena e Pequim construíram agora relógios que usam como referência o núcleo do tório-229 (Viena, Nature, Pequim, Nature). A marcação do tempo é menos estável do que nos melhores relógios atómicos. Ainda assim, o aparelho de Viena já tornou uma forma de procurar matéria escura 100 a 1 000 vezes mais sensível do que nas experiências anteriores com relógios atómicos (Nature).

À escuta de um núcleo

Um relógio atómico funciona um pouco como um músico que afina o instrumento por referência a uma nota. Um laser é ajustado até a sua frequência corresponder à da luz que os electrões do átomo absorvem; um sistema de feedback mantém-no nessa frequência. As oscilações regulares do laser tornam-se os tiques do relógio.

Em geral, as transições dos núcleos exigem muito mais energia do que aquela que um laser consegue fornecer, pelo que não serviam de referência. O tório-229 é uma excepção: o seu núcleo tem uma transição de cerca de 8,4 electrões-volt, uma energia suficientemente baixa para que a luz ultravioleta a excite (Physical Review Letters).

As experiências anteriores detectaram esta frequência, mas mediram-na lentamente: esperavam cerca de dez minutos que os núcleos excitados emitissem luz (TU Wien). Os novos relógios medem a absorção, registando quanta luz ultravioleta os núcleos de tório, inseridos num cristal, absorvem. Como o sinal chega de imediato, os núcleos podem continuar a corrigir o laser enquanto o relógio funciona — o avanço técnico destacado esta semana no To Brief.

O relógio de Viena funcionou durante mais de 24 horas sem intervenção (TU Wien). Pequim gerou a luz ultravioleta por outra técnica, mostrando que uma referência nuclear funcional não depende do equipamento de um único laboratório.

Um dia à procura de uma oscilação

Em Viena, o relógio nuclear foi comparado com um relógio atómico de iões de itérbio no BEV, o organismo austríaco de metrologia. Se ambos reagirem da mesma forma a tudo o que os rodeia, o rácio entre as respectivas frequências manter-se-á constante. Uma deriva ou oscilação nesse rácio indicaria que algo afecta os núcleos e os electrões de maneira diferente.

O tório é particularmente sensível a estas diferenças. O seu pequeno intervalo de energia resulta do quase cancelamento de contributos muito maiores, como um saldo bancário obtido subtraindo duas quantias enormes. Uma pequena alteração em qualquer uma delas pode fazer o saldo variar bastante. Por isso, a teoria prevê que uma mudança mínima nas constantes da natureza alteraria a frequência nuclear muito mais do que uma frequência electrónica.

Alguns modelos de matéria escura descrevem um campo invisível que preenche o espaço e oscila lentamente, fazendo as constantes variar. Se esse campo existir, o rácio entre os dois relógios deverá oscilar ao mesmo ritmo.

Ao longo de cerca de 23 horas de dados, nenhuma oscilação se destacou do ruído (arXiv). Mesmo um resultado nulo permite excluir versões da matéria escura que teriam produzido um sinal visível. O grande ganho de sensibilidade aplica-se à matéria escura que interagiria através da força forte, responsável por manter unidos os núcleos atómicos, e apenas a parte do intervalo possível de massas. Para interacções com a luz, os novos limites apenas igualam os obtidos com relógios atómicos anteriores; a sua precisão depende de estimativas da teoria nuclear sobre a sensibilidade do tório (ficheiro de revisão por pares da Nature).

Porque os novos relógios ainda variam

Os dois relógios nucleares apresentam uma deriva muito maior do que os melhores relógios atómicos, como o relógio de iões de alumínio do NIST (NIST). Parte do problema é a fraqueza do sinal de absorção: os relógios têm de localizar o centro da frequência a partir de variações mínimas na luz detectada.

O cristal acrescenta outro problema. Os núcleos de tório estão em ambientes ligeiramente diferentes e, por isso, não emitem todos exactamente na mesma frequência. Em Viena, a linha espectral variou até cerca de 1,7 quilohertz, consoante o ponto do cristal atravessado pelo laser (Nature).

Os físicos chamam largura de linha à medida da nitidez dessa frequência: uma linha estreita é como um tom puro; uma linha larga, como um acorde difuso, é mais difícil de fixar. Num preprint ainda não revisto por pares, investigadores da JILA e da TU Wien mediram o alargamento de uma transição: de 28,6 para 94,8 quilohertz, em três cristais com concentrações crescentes de tório (arXiv). Ekkehard Peik, do PTB, comparou linhas com dezenas de quilohertz de largura com a largura natural esperada para o núcleo, muito abaixo de um hertz (Physics World).

Os primeiros relógios nucleares ainda medem o tempo com pouca estabilidade, mas já são instrumentos de investigação funcionais. Num único dia a comparar um núcleo com os electrões de um átomo, foi possível apertar alguns dos limites sobre a forma como a matéria escura poderia interagir com a força forte. Os sinais fracos e os cristais onde os núcleos estão inseridos continuam, porém, a impedir que estes relógios alcancem a nitidez da frequência que o tório pode oferecer.