Oratori nucleari al mondo: innovazione e precisione in un nuovo ambito

Due orologi nucleari funzionanti al mondo sono stati realizzati da due squadre di fisici, una guidata da Thorsten Schumm dell’Università Tecnica di Vienna e l’altra da Ding Shiqian dell’Università Tsinghua di Pechino. Questi strumenti, presentati il 7 ottobre su Nature, segnano un passo avanti nella misura del tempo, sfruttando il nucleo dell’atomo invece degli elettroni. I due orologi non sono gemelli, ma entrambi si basano sul torio-229, un isotopo radioattivo raro che permette una precisione senza precedenti. Il loro funzionamento si basa su un laser che modifica lo stato energetico dei nuclei, rivelando una stabilità senza eguali.

La tecnologia dietro gli orologi nucleari

Un orologio ha bisogno di qualcosa che oscilli con regolarità. Nei vecchi orologi a pendolo è un peso che dondola, mentre negli orologi atomici è la luce di un laser, la cui frequenza viene agganciata al salto di un elettrone tra due livelli di energia. Il primo orologio atomico fu costruito negli Stati Uniti nel 1949. Oggi questa tecnologia regge la navigazione satellitare, le telecomunicazioni e la definizione stessa del secondo. L’orologio nucleare segue la stessa logica, ma scende di un livello: a cambiare stato non sono gli elettroni, bensì il nucleo, il nocciolo di protoni e neutroni al centro dell’atomo.

Un’alternativa alla misura del tempo

«Hai un laser e del torio», ha spiegato Schumm. L’idea di base è semplice: il laser modifica lo stato energetico dei nuclei e i nuclei, a loro volta, tengono stabile la frequenza del laser, facendo da riferimento. Il torio-229 è l’unico nucleo conosciuto che si presta a questo meccanismo. Gli altri richiederebbero energie fuori dalla portata di qualsiasi laser, mentre il torio-229 cambia stato con luce ultravioletta a 148,4 nanometri. Il vantaggio di affidarsi al nucleo è che si tratta di un bersaglio minuscolo e schermato dagli elettroni che lo circondano. Per questo è molto meno esposto ai disturbi esterni che complicano la vita agli orologi atomici.

Quello di Tsinghua si è rivelato circa sei volte più stabile del rivale viennese. Eppure usa un cristallo più piccolo di un chicco di riso, che contiene circa un milione di miliardi di nuclei di torio, duecento volte meno di quello impiegato a Vienna. Il gruppo di Ding ha puntato su una concentrazione di torio più bassa e su un laser più potente, che ricava la luce ultravioletta da vapori di cadmio scaldati a circa 600 gradi. Un risultato riproducibile: due cristalli cresciuti separatamente hanno restituito lo stesso battito. È il segno che questi orologi si possono riprodurre in modo affidabile.

Un passo verso la materia oscura

Il team ha usato lo strumento per cercare tracce di materia oscura ultraleggera. Non è emerso alcun segnale, ma la sensibilità si è dimostrata all’altezza dei migliori orologi atomici. Per ora nessuno dei due dispositivi supera i campioni in carica: secondo lo studio viennese, il miglior orologio atomico perde circa un secondo ogni 55 miliardi di anni. In questa fase, però, il punto non è il record. Le applicazioni future potrebbero portare una precisione da laboratorio dove oggi non arriva, a cominciare dai satelliti e dalle reti di comunicazione.

Confrontando nel tempo orologi nucleari e atomici, i ricercatori sperano di verificare se quelle costanti siano davvero costanti e di intercettare l’eventuale impronta della materia oscura. L’energia della transizione del torio-229 nasce da un equilibrio delicatissimo tra le forze che tengono insieme il nucleo. Per questo dovrebbe reagire in modo amplificato a variazioni anche infinitesimali delle costanti fondamentali della natura. Le sfide restano concreti: il torio-229 è rarissimo, con una disponibilità mondiale stimata intorno ai 40 grammi, e questo limita il numero di laboratori in grado di sperimentare. Servono cristalli con meno difetti e una distribuzione più uniforme del torio, oltre a laser più potenti.