На сайте Phys.org размещена интересная публикация "Thorium-229: How the first nuclear transition can be excited with lasers in the visible wavelength range".

Изотоп тория с массовым числом 229 (²²⁹Th) очень интересен во многих отношениях — как для фундаментальной физики, так и для будущих приложений, например, в смысле ядерных часов.

Международная немецко-китайско-американская исследовательская группа предложила совершенно новый подход к детальному изучению ²²⁹Th. Исследователи хотят использовать ионы тория, у которых в оболочке осталось только три электрона из 90, присутствующих в нейтральном атоме. Такая система предлагает множество преимуществ, в первую очередь то, что первый ядерный переход можно возбудить с помощью обычных лазеров в видимом диапазоне длин волн. Это, однако, требует, чтобы ионы циркулировали в релятивистском накопительном кольце.

Что особенного в тории-229, так это то, что его атомное ядро с метастабильным изомерным состоянием тория-229m имеет самый низкий уровень возбужденной энергии из всех примерно 3800 известных в настоящее время атомных ядер. Следовательно, это единственный ядерный переход, который потенциально можно исследовать с помощью лазеров — даже без использования накопительных колец. Чрезвычайно точное измерение этого перехода и двух ядерных состояний открывает многообещающие и разнообразные перспективы.

Для этого исследователи предложили новый подход — они используют высокозарядные ионы (ВКИ), именно те, в которых в электронной оболочке осталось только три электрона. В таких сильно заряженных ионах тория взаимодействие между электроном и ядром открывает некоторые новые переходы, которые можно использовать для эффективного «заселения» изомерного состояния ядра.

Идея состоит в том, чтобы разогнать эти ионы тория почти до скорости света в ускорителе частиц. Таким образом, они развивают, так сказать, эффект рычага, чтобы максимально эффективно возбудить их с помощью обычного лазера и, таким образом, иметь возможность очень точно их изучить. Что наиболее важно, можно обращаться к нескольким возбужденным состояниям и использовать их для «заполнения» изомерного состояния, которое действительно представляет интерес.

Большинство предыдущих исследований тория-229m касались нерелятивистских атомов или ионов в низкозарядовых состояниях, что предъявляет высокие требования к источнику света, необходимому для возбуждения, поскольку необходим чрезвычайно коротковолновый лазер в глубоком ультрафиолетовом диапазоне. Ученые описывают различные этапы, необходимые для реализации их метода: они начинаются с генерации ускоренного пучка высокозаряженных ионов тория с возможными ускорительными кольцами на строящейся установке FAIR в GSI (Дармштадт, Германия). Также понадобится планируемая Гамма-фабрика в ЦЕРН — авторы текущей публикации по ториевому иону также участвуют в концептуальных предложениях по реализации такого «суперисточника света».

В статье подробно обсуждаются различные сценарии получения наиболее полного возможного возбуждения ядер тория, прежде чем сосредоточиться на обнаружении образовавшихся возбужденных состояний и возможности их переноса в аналогичные системы.

Согласно полученной оценке, энергия изомерного состояния может быть измерена с точностью выше 10^-4 или даже ниже 10^-6, что на несколько порядков выше настоящего значения. Это проложило бы путь к дальнейшим улучшениям в определении энергии изомерного состояния и помогло бы ответить на фундаментальные вопросы физики, используя систему тория.

Ссылка на статью в сободном доступе: J.Jin et al., Excitation and probing of low-energy nuclear states at high-energy storage rings, Physical Review Research (2023), DOI:10.1103/PhysRevResearch.5.023134