İlk nükleer saat, temel sabitlerin değişimini test etmeye hazırlanıyor

• JILA araştırmacıları, thorium-229 atom çekirdeğinin iki durum arasındaki geçişini trilyonda bir hassasiyetle ölçerek, 50 yıldır süren nükleer saat geçişinin lazer frekansını bulma arayışını fiilen tamamladı
• thorium-229, atom çekirdeğinde elektromanyetik kuvvet ile güçlü nükleer kuvvetteki değişimlerin neredeyse birbirini götürdüğü sıra dışı bir örnek olduğu için, çok küçük bir enerjiyle nükleer geçiş tetiklenebiliyor
• 2024 Nisan’ında Avrupalı araştırmacıların, Temmuz’da ise UCLA grubunun sonuçlarından sonra JILA sonucu da geldi; bu ölçüm önceki gözlemlerden milyonlarca kat daha hassas
• Nükleer saat geçişi, temel sabitlerdeki değişime atomik durumlara kıyasla çok daha duyarlı, ancak olası değişim 10 trilyonda 1 seviyesinde olabileceğinden daha fazla hassasiyet artışı gerekiyor
• thorium-229 nükleer saati, karanlık madde axion’u veya sicim teorisi gibi modellerin öngördüğü fizik yasalarının zamanla değişimini deneysel olarak test edecek yeni bir araç olabilir

---

JILA’nın thorium-229 nükleer saat geçişi ölçümü

• 2024 Mayıs’ında bir gece, JILA doktora öğrencisi Chuankun Zhang, thorium-229 atom çekirdeğinin iki durum arasında geçiş yaptığını gösteren nükleer saat geçişi sinyalini doğruladı
• Araştırma ekibi çeşitli doğrulama süreçlerinden sonra bu sinyalin gerçekten thorium-229 çekirdek geçişi olduğuna karar verdi
• Jun Ye araştırma grubunun ölçüm sonucu 4 Eylül 2024’te Nature’da raporlandı
• Son 4 ayda açıklanan thorium-229 geçiş gözlemleri içinde üçüncü sonuç oldu ve Almanya ile Kaliforniya’daki araştırma ekiplerinin sonuçlarını izledi
• Bu ölçüm, önceki sonuçlardan milyonlarca kat daha hassas olduğu için, nükleer saat geçişini tetikleyen doğru lazer frekansını bulmaya yönelik uzun sürecin sonunu temsil ediyor

thorium-229 neden özel?

• Normal atom saatleri, elektronların foton soğurup uyarılmış duruma geçmesi ve ardından yeniden temel duruma dönmesi sürecini kullanır
  • Sezyum atom geçişine karşılık gelen dalga boyu, bugün 1 saniyenin uluslararası standardını tanımlar
  • 1 saniye, söz konusu dalga boyunun 9.192.631.770 tanesinin uzaydaki bir noktadan geçmesi için gereken süre olarak tanımlanır
• Atom çekirdeklerinin de temel ve uyarılmış durumları vardır, ancak protonlar ve nötronlar elektronlara göre çok daha sıkı bağlı olduğundan genellikle gama ışınları gibi çok daha yüksek enerjili fotonlar gerekir
• thorium-229 atom çekirdeği ise istisnai biçimde nükleer geçiş için gereken enerjinin çok düşük olduğu bir örnektir
  • Atom çekirdeğinde protonlar arasındaki elektromanyetik kuvvet çekirdeği parçalamaya çalışırken, güçlü nükleer kuvvet çekirdeği bir arada tutar
  • thorium-229’un en dış nötronunun spin değişiminde bu iki kuvvetteki değişim neredeyse tam olarak birbirini götürür; bu nedenle uyarılmış durum ile temel durum arasındaki enerji farkı son derece küçüktür
  • Geçiş, tipik nükleer uyarılmalara kıyasla yaklaşık 10.000 kat daha az enerjiyle gerçekleşebilir

Soğuk Savaş yan ürününden çıkan deney malzemesi

• thorium-229, Soğuk Savaş dönemi nükleer silah araştırmalarının bir yan ürünü olan uranium-233 bozunmasından elde edilir
• ABD, 1950’lerden 1970’lere kadar yaklaşık 2 ton uranium-233 üretti; bu madde uranium-235 ve plutonium-239’a alternatif olabilecek silah sınıfı bir fisil malzeme olarak değerlendirilmişti
• 1976’da Idaho National Laboratory’den Larry Kroger ve Charles Reich, uranium-233 atık sıvısından çıkan radyasyonu incelerken, thorium-229’da beklenenden çok daha düşük enerjili bir nükleer uyarılmış durum olduğuna dair dolaylı kanıt buldu
• 1990’da Reich ve çalışma arkadaşları, daha hassas bir yeniden ölçümle bu uyarılmış durumun enerjisinin ilk düşünülenden 10 kattan fazla daha küçük olduğunu doğruladı
• Nükleer geçişler normalde milyonlarca elektronvolt gerektirir, ancak thorium-229 geçişi 10 elektronvoltun altındadır
  • Bu enerji aralığı, mevcut lazerlerin kararlı ve hassas biçimde iletebildiği aralıktır
  • Eric Hudson, tüm atom çekirdeği diyagramında bu tür bir örneğin yalnızca thorium-229 olduğunu söylüyor

Nükleer saat fikri ve temel sabitlerin testi

• 2003’te Ekkehard Peik ve Christian Tamm, thorium-229 kullanan bir nükleer saat önerdi
• Atom çekirdeği elektron bulutuyla çevrili olduğu ve dış dünyadan kısmen yalıtıldığı için, thorium-229 tabanlı bir saat o dönemin en iyi atom saatlerini rahatsız eden arka plan girişimlerine daha az duyarlı olabilir
• Victor Flambaum, böylesine duyarlı ve yalıtılmış bir saatin doğanın kendi sabitliğini test etmekte kullanılabileceğini gösterdi
• Fizik denklemlerinde ışık hızı, kütleçekim sabiti gibi yaklaşık 26 temel sabit bulunur
• Sicim teorisi gibi bazı kuramlar, bu sayıların zaman içinde çok az değişebileceğini öngörür
• Karanlık maddeye ilişkin popüler bir modele göre, eğer karanlık madde axion adı verilen dalga benzeri parçacıklardan oluşuyorsa, konuma göre değişen axion yoğunluğu bazı kuvvetlerin şiddetini artırıp azaltabilir
• Kuvvet şiddetindeki değişim, atom çekirdeği durumlarının enerjisini değiştirebilir
  • Çekirdek durumlarının enerjisi, protonlar ve nötronlar üzerinde etkili büyük elektromanyetik kuvvet ile güçlü nükleer kuvvetin toplanıp çıkarılmasıyla belirlenir
  • thorium-229 geçişinde enerji farkı çok küçük olduğu için, kuvvetlerdeki küçük değişimler özellikle büyük biçimde ortaya çıkabilir

Lazer frekansı arama yarışı

• Başlangıçta nükleer saat geçişi için gereken enerji tahminleri, araştırmacıların taradığı lazer dalga boylarına göre 1.000 kat daha düşük hassasiyetteydi
• Araştırmacılar binlerce lazer dalga boyunu tek tek elemek zorundaydı; birkaç thorium-229 atomunu hapsedip üzerlerine lazer göndererek foton bekleme yöntemi doğal olarak çok yavaştı
• Eric Hudson’ın yaklaşımını izleyen birçok grup, içine thorium yerleştirilmiş katı kristal bileşikler üretmeye başladı
  • Kristaller birkaç atom değil, katrilyonlarca atom içerebilir
  • Böylece lazerle çok sayıda dalga boyu hızla elenebilir
• CERN ekibi, 2023’te radyoaktif bozunmayla uyarılmış thorium-229 üreterek ve daha sessiz bir ortamda nükleer saat geçişinin soluk morötesi ışığını doğrudan ölçerek bir atılım sağladı
• CERN sonucu arama aralığını büyük ölçüde daralttı ve 2024 Nisan’ında Avrupalı ekip, bu durumu lazerle incelediğini ilk kez bildirdi
• UCLA’deki Hudson grubu da bulgularını 2024 Temmuz’unda Physical Review Letters’ta yayımladı
• JILA’daki Jun Ye grubu, Thorsten Schumm’un ürettiği kristallerden birini temin etti ve thorium-229’u nükleer saate dönüştürmek için özel bir morötesi lazer geliştirdi
  • Bu lazer, geçişi bulmak için aynı anda birden fazla dalga boyunu test etmekte kullanılıyor
  • JILA sonucu, paralel ilerleyen üç keşfi en hassas enerji ölçümüyle tamamlayan çalışma niteliğinde

Neden daha yüksek hassasiyet gerekiyor?

• thorium çekirdek durumlarının enerjisi, temel sabitlerdeki değişime karşı herhangi bir atomik durumdan çok daha duyarlıdır
• Şu anda Ye grubu nükleer saat geçişini trilyonda bir hassasiyetle ölçebiliyor
• Mevcut atom saatlerinin zaten dışladığı seviyeden daha ince değişimleri görebilmek için daha yüksek hassasiyet gerekiyor
• Olası değişim 10 trilyonda 1 seviyesinde olabilir; Ye buna ulaşmanın “birkaç yıl sonrasının işi” olduğunu düşünüyor
• Eski bir Soğuk Savaş yan ürününden gelen thorium-229, evreni ayakta tutan ve henüz keşfedilmemiş daha derin bir fiziğin izlerini aramak için bir araca dönüşebilir

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Bununla bir nükleer saat yapıp Allan kayması yeterince düşerek işe yarar düzeye gelse bile, anlamlı bir fark ölçüp bir şeyler çıkaracak kadar veri toplamak için yıllarca gözlem yapmak gerekecek gibi
  Bu süre boyunca nesneyi yalnızca 1 cm yukarı aşağı hareket ettirmenin etkisini, Ay’ın konumunu ve her türden başka gürültü kaynağını telafi etmek gerekecek
  Sonunda başaracaklarından şüphem yok; daha sonra tüm süreci dinlemek muhteşem olurdu
  Beklerken izlenebilecek bir kaynak olarak, çip ölçeğinde atom saatlerinin nasıl çalıştığını en net anlatan YouTube konferans kaydını buldum: https://www.youtube.com/watch?v=wHYvS7MtBok
  Bir gün çip ölçeğinde optik örgü saatleri de görmek dileğiyle

  • LIGO/Virgo düzeni gibi yapılamaz mı? Aynı ya da benzer donanımlarla birden çok deneyi aynı anda çalıştırırsanız, yukarıda sözü edilen türden gürültüyü epey kolay ayıklayabilirsiniz gibi geliyor
    Üstelik dağıtım maliyeti interferometre donanımından çok daha düşük göründüğü için, yerel gürültü kaynaklarını telafi etmek üzere dünyanın dört yanına yeterince çok kopya cihaz da yerleştirilebilir gibi
  • Kastedilen, yerçekimi ne kadar güçlü olursa zamanın o kadar yavaş aktığıysa, tek bir ölçüm sırasında tüm deney düzeneği aynı yerçekimi alanı içindeyse büyük bir sorun olmaz gibi

• “Birçok atom çekirdeğinde benzer spin geçişleri var, ancak toryum-229’da bu telafi neredeyse kusursuz” kısmını, “fizik sabitleri aslında sabit olmayabilir” kısmıyla birlikte düşünmek ilginç
  Eğer fizik sabitleri zamanla değişiyorsa, toryum-229 özel olmayabilir; yalnızca şu anda elektriksel itme ile güçlü nükleer kuvvetin tesadüfen dengelendiği izotop olabilir
  Bir milyar yıl sonra bu rolü başka bir element üstlenebilir; belki de mevcut bir elementin bir izotopunun tam denk düştüğü bir çağda yaşadığımız için şanslıyızdır
  İki kuvvetin tam olarak dengelendiği en uygun an ya da yer çoktan olmuş olabilir ya da gelecekte gelebilir; o zaman sabitlerdeki değişimi hassas biçimde ölçmek için ideal olabilir. Tıpkı tutulmanın, ışığın yerçekimiyle bükülmesini doğrulamak için iyi bir fırsat olması gibi

  • Fizikçi değil, konuya meraklı sıradan biri olarak bildiğim kadarıyla gerçek araştırmacılar ışık hızı ya da ℏ gibi birçok değeri 1 olacak şekilde birim sistemi seçiyor
    Yine de ince yapı sabiti gibi, başka değerlerden türetmesi zor ya da imkânsız görünen sayılar var. Popüler bilimde karşılaştığım açıklama antropik ilke: ancak bu değerlerde olursa birileri o soruyu sorabilir, gibi
    Gerçek bilim insanlarının buna nasıl baktığını pek bilmiyorum
  • Işık hızı her zaman, her yerde aynı gözlemlenecektir. Çünkü ışığın hızını ışıkla ölçüyoruz; mesafeyi de ışıkla ya da ışığa denk yöntemlerle ölçüyoruz
    Sıradan kuvvetleri oluşturan elektromanyetik etkileşim de ışık hızına bağlı, diğer her şey de öyle
    Başka sabitler değişebilir, ama yerel olarak gözlemlenen ışık hızı değişebilirse bu çok şaşırtıcı olur
  • Değişimin tekdüze doğrusal bir değişim olduğu varsayılıyor; oysa gerçekte periyodik olabilir ya da ayrık değerler arasında sıçrayıp durabilir

• Işık hızı veya yerçekimi sabiti gibi sayıların evrenin nasıl işlediğini belirlediği, ama aslında sabit olmayabileceği söyleniyorsa, fizikçi olmayan biri olarak yerçekimi bana hep değişebilecek bir kuvvet gibi gelmiştir
  Bu, kayıp karanlık madde problemine ya da milyonlarca yıl önce Dünya’daki birçok canlının neden daha büyük olduğuna alternatif bir açıklama olabilir mi diye düşünüyorum. Elbette fizik altyapım yetersiz olduğundan, iki olguyu birlikte açıklamaya çalışırken çelişkiye düşüyor olabilirim

• Yazıda sabitlerin 26 tane olduğu söyleniyor ama https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_physical_constants sayfasına bakınca daha fazlaymış gibi görünüyor
  Ayrıca ince yapı sabiti gibi oran olan sabitlerde, gerçekte bir değişim olsa bile oran aynı kalıyorsa bunu tespit etmek mümkün olmayacak gibi. π’nin de bir oran olup aynı kalmasına benziyor

  • Burada kastedilen temel sabitler olan 26 değer; yani yalnızca teoriyle belirlenemeyen, deneyle ölçülmesi gereken ve diğer sabitlerin bunlarla ifade edilebildiği değerler
    Üstelik belirli 26 değerin sabitlenmiş olması da gerekmiyor. c yerine 1/c’yi sabit almak da aynı ölçüde geçerli; herhangi bir denklem de c yerine 1/c kullanılacak şekilde düzenlenebilir
    Oranlar söz konusu olduğunda, o oranın gerçekten sabit olup olmadığı zaten doğrulanmak istenen şey

• Bir sabiti ölçmek için sabit olan bir şeye ihtiyaç var; ama onu karşılaştıracak başka bir sabit yoksa neyin sabit olduğunu bilemeyiz. Bu bana hep mantıksal bir hata gibi geliyor
  Sonuçta yalnızca bir şeyin sabit olduğunu varsayabiliyoruz; gerçekte belki de yalnızca sabit görünüyor
  Fizikçi Julian Barbour’un zaman üzerine çalışmalarını okursanız epey çarpıcı içgörüler bulabilirsiniz. “Zaman değişimden doğar” bakışı: https://www.youtube.com/watch?v=GoTeGW2csPk

  • Değişen bir şeyle başka bir şeyi ölçmekte sakınca yok. Örneğin alüminyumun ısıl genleşme katsayısını bilmek istiyorsunuz ve bir alüminyum bloğu çelik cetvelle ölçtüğünüzü düşünün
    Sıcaklığı değiştirince ikisinin de boyutu değişir, ama ikisini farklı sıcaklıklarda ölçerseniz iki ısıl genleşme katsayısının oranını bulabilirsiniz
    İlginçtir, cıvalı termometre kullanıyorsanız aslında her şeyi cıvanın ısıl genleşme katsayısına göre ölçmüş oluyorsunuz
  • Sabit olduğunu düşündüğümüz bazı değerlerin boyutsuz oranlarını ölçüp, bunların burada ve şimdi ile çok eski zamanlardaki uzak galaksilerde aynı olup olmadığını karşılaştırabiliriz: https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensionless_physical_constan...

• Temel sabitler her zaman doğru değilse, diğer galaksilerdeki madde Samanyolu’ndaki maddeden farklı davranacaktır. Bu konuyu ara sıra tartışıyoruz; başkaları dalga boyu aynı olduğuna göre geri kalan her şeyin de aynı olması gerektiğini söyleyip duruyor

  • Bu soruyu “mevcut gözlemlerle çelişmeyecek ölçüde fizik yasalarının büyük ölçekli uzamsal değişimi ne kadar mümkün olabilir?” diye sormak daha iyi görünüyor
    Hatırladığım kadarıyla incelenmişti ama şu anda kaynak bulamıyorum
  • Evrenin büyük ölçeklerinde bizim yasalarımız karanlık madde ve karanlık enerji denen matematiksel icatların yardımını alıyor
    O halde gerçekten karanlık madde ve karanlık enerji mi var, yoksa evren yasalarına dair anlayışımız mı eksik?
  • Temel sabitler sabit değilse, neden bu galaksi içinde de değişmesini beklemiyoruz? “Diğer galaksileri” işin içine katmak, yanlışlanabilirlikten kaçınmanın bir yolu gibi göründüğü için şüpheli
  • “Dalga boyu aynı” derken ne kastedildiğini bilmiyorum. Ayrıca başka galaksilerde karşılaştırılabilir dalga boyları hiç ölçüldü mü?
  • Şart değil. Uzay ve zamandaki mesafeleri ölçmek için kırmızıya kayma kullanıyoruz
    Geçmişte temel sabitler farklıysa, bu yalnızca ölçtüğümüz mesafelerin değişmesi şeklinde görünebilir

• Temel sabitler değişebiliyorsa, enerji korunumu ve termodinamiğin ikinci yasasını ihlal ediyor olabilir diye düşünüyorum
  Birinin “Teoriniz termodinamiğin ikinci yasasını ihlal ediyorsa hiç umut yoktur” dediğini hatırlar gibiyim; kaçırdığım bir şey mi var?

  • Enerji korunumu, benim de dahil olduğum birçok kişinin sandığı kadar kutsal ve dokunulmaz değil. Örneğin şu yazıya bakabilirsiniz: https://www.preposterousuniverse.com/blog/2010/02/22/energy-...,
  • Termodinamik tanımı gereği yalnızca denge süreçlerini inceler. Termodinamik yasalarını fazla geniş uygulamak yaygın bir yanlış anlamadır ve üniversitede fizik okumuş kişiler arasında bile sık görülür
    Çünkü fiziksel kinetiği, örneğin Landau’nun 10 ciltlik serisi düzeyine kadar öğrenen çok kişi yoktur
  • Enerji korunumu, yani termodinamiğin birinci yasası ihlal ediliyor diye özünde ikinci yasanın da ihlal edilmesi gerekmez
    Kapalı bir sistemin enerjisi değişse bile toplam entropinin azalacağı kadar olmayan durumları hayal etmek zor değil. Örneğin kapalı sistemin enerjisinin azalması böyle olabilir
  • Şimdilik en iyi tahmin, tüm alanların birbirini etkileyebildiği ya da gerçekten etkilediği ve bunun sonucunda göreli değişimler ortaya çıktığı yönünde
    Bazı şeyler son derece sabit görünebilir, ama aşırı derecede küçük ya da büyük zaman ölçeklerinde ölçülmeleri gerektiği için pratikte neredeyse ölçülemez olabilirler

• Kütleçekim sabiti G’nin gerçekten sabit olup olmadığı hâlâ bir ölçüde açık bir soru
  Üstelik atom zamanı mı yoksa dinamik zaman mı kullandığınıza bağlı olarak sonuç değişiyor. Dinamik zaman kullanılırsa Ay lazer yansıtıcılarıyla bir değişim ölçülmüyor

  • G’nin boyutu neydi, tekrar hatırlatabilir misin?

• Belki aptalca bir soru olabilir ama en hassas saatin doğruluğu nasıl değerlendirilir? Karşılaştırılacak daha doğru bir şey yok değil mi?

• Muhtemelen demek istenen şey tek elektron hipoteziydi. Antielektronun Feynman diyagramı zamanda geriye giden bir elektron gibi göründüğü için eğlenceli bir fikir
  Bu yüzden tek bir elektronun zaman içinde ileri geri sekerek dolaşık bir dünya çizgisi oluşturduğunu ve bazen onu antielektron olarak gözlemlediğimizi hayal edebiliriz
  Fotonun antifotonu olmadığından bu yöntem doğru değil
  Her hâlükârda Feynman’ın iyi ürettiği türden “vay be!” anı yaşatan eğlenceli bir düşünce, ama ciddi bir teori olarak kabul ediliyor gibi görünmüyor

  • Pozitron yalnızca zamanı tersine çevrilmiş bir elektrona benziyor değildir; bu yalnızca Feynman diyagramlarıyla sınırlı bir mesele de değil
    Deneysel olarak da en iyi teoriye göre de, bu parçacıklar zaman değişkeninin önündeki eksi işareti dışında kelimenin tam anlamıyla aynıdır
    Ve bu fotonlar için de geçerlidir. Antifoton vardır ve tam olarak fotonun kendisidir. Foton, zaman tersinmesine göre simetrik bir parçacıktır
  • Hatırladığım versiyonda John Wheeler, Feynman’a “Tüm elektronların birbirinin aynı olmasının nedeni yalnızca tek bir elektron olması ve o zamanda geriye gittiğinde bizim onu pozitron olarak algılamamızdır” demişti
    Feynman, elektronların pozitronlardan daha fazla olduğunu belirterek bu fikri hemen çürütmüştü