ในการสลายกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสของอะตอมจะจัดเรียงตัวใหม่โดยธรรมชาติ ดึงโครงสร้างบางส่วนออก และเปลี่ยนเป็นนิวเคลียสของอะตอมที่ต่างกัน ในกระบวนการนี้ "อะตอมของลูกสาว" ใหม่มักจะมีพลังงานที่เก็บไว้ภายในซึ่งถูกปล่อยออกมาในรูปของรังสีแกมมา พลังงานของรังสีเหล่านี้เป็นลักษณะเฉพาะของนิวเคลียสแต่ละประเภท เช่นเดียวกับลายนิ้วมือ นักวิจัยได้เรียนรู้มากมายเกี่ยวกับนิวเคลียสของอะตอมโดยการจำแนกลักษณะลายนิ้วมือของรังสีแกมมาเหล่านี้

ย้อนกลับไปในปี 1976 LA Kroger และ CW Reich ได้ตรวจสอบการสลายตัวของยูเรเนียม-233 ซึ่งเป็นนิวเคลียสเทียมของยูเรเนียมที่สลายตัวเป็นทอเรียม-229 โดยการปล่อยอนุภาคแอลฟา ตามด้วยการปล่อยรังสีแกมมาที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งเกิดขึ้นในรูปแบบที่ชัดเจนและโดยทั่วไปเข้าใจดี อย่างไรก็ตาม Kroger และ Reich ได้ลงทะเบียนความผิดปกติ: รังสีแกมมาหนึ่งตัวที่ทฤษฎีนิวเคลียร์ทั้งหมดทำนายไว้หายไปในสัญญาณที่วัดได้ คำอธิบายที่ดีที่สุดคือพลังงานภายในที่เก็บไว้ในการกระตุ้นด้วยนิวเคลียร์ต่ำสุดของทอเรียม -229 นั้นต่ำเกินไปที่จะตรวจจับได้โดยเครื่องตรวจจับ ตลอดหลายทศวรรษต่อมา มีความพยายามหลายครั้งในการสังเกตรังสีแกมมาพลังงานต่ำโดยไม่ประสบผลสำเร็จ ซึ่งทำให้รังสีแกมมามีพลังงานต่ำลงทุกที

มุมมองใหม่ในการสร้างนาฬิกานิวเคลียร์

ทุกวันนี้ เรารู้ว่าสถานะพลังงานตื่นเต้นต่ำสุดของนิวเคลียสทอเรียม-229 ที่เรียกว่าสถานะไอโซเมอร์ ตั้งอยู่ที่พลังงานที่ทราบต่ำสุดในบรรดานิวเคลียส ที่พลังงานที่มีลำดับความสำคัญต่ำกว่าพลังงานกระตุ้นปกติ ดังนั้นพลังงานของรังสีแกมมาที่เกี่ยวข้องจึงต่ำมากจนวางอยู่ในบริเวณอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้ามากกว่าในบริเวณรังสีแกมมาทั่วไป สิ่งนี้นำไปสู่สถานการณ์ที่ไม่เหมือนใครซึ่งกระบวนการตรงกันข้ามของการกระตุ้นด้วยการปล่อย "รังสีอัลตราไวโอเลต" นี้กล่าวคือการกระตุ้นของสถานะที่ต่ำกว่านั้นเป็นไปได้โดยการฉายแสงอัลตราไวโอเลตลงบนนิวเคลียส เป็นระบบนิวเคลียร์เพียงระบบเดียวที่สามารถกระตุ้นด้วยแสงเลเซอร์ "แบบตั้งโต๊ะ" สิ่งนี้เปิดโอกาสที่น่าตื่นเต้น รวมถึงการสร้างนาฬิกา "นิวเคลียร์" ซึ่งเวลาจะวัดจากการแกว่งของนิวเคลียสระหว่างสองสถานะนี้ ความแม่นยำของนาฬิกาดังกล่าวคาดว่าจะดีกว่านาฬิกาอะตอมในปัจจุบันที่ดีที่สุด ซึ่งอาศัยการสั่นระหว่างสถานะต่างๆ ในเปลือกอิเล็กตรอน ซึ่งอ่อนไหวต่อการรบกวนจากภายนอกมากกว่านิวเคลียสที่มีขนาดเล็กกว่า 10,000 เท่า

ปัญหาสำคัญคือ แม้ว่า พลังงานของสถานะไอโซเมอร์ยังไม่เป็นที่ทราบด้วยความแม่นยำเพียงพอที่จะทราบว่าแสงอัลตราไวโอเลตชนิดใดที่จำเป็นในการกระตุ้นการสั่น กลุ่มนักวิจัยจากไฮเดลเบิร์ก เวียนนา ไมนซ์ และดาร์มสตัดท์ ได้ทำซ้ำการวัดค่าแกมมาสเปกโตรสโคปีอันเป็นสัญลักษณ์ของโครเกอร์และไรช์แล้ว แต่ใช้แกมมาสเปกโตรมิเตอร์ที่ล้ำสมัยขั้นสูง ซึ่งได้รับการออกแบบมาอย่างชัดเจนสำหรับการลงทะเบียนรังสีที่มีพลังงานต่ำเช่นนั้น .

การศึกษาที่ยอดเยี่ยมให้ความแม่นยำสูงสุด

ด้วยเหตุนี้ ทีมวิจัยของ Professor Christian Enss และ Dr. Andreas Fleischmann จากสถาบัน Kirchhoff Institute for Physics แห่งมหาวิทยาลัย Heidelberg ได้พัฒนาไมโครคาโลริมิเตอร์แบบแม่เหล็กชื่อ maXs30 เครื่องตรวจจับนี้ถูกทำให้เย็นลงถึงลบ 273 องศาเซลเซียส และวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยที่เกิดขึ้นเมื่อรังสีแกมมาถูกดูดกลืน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในคุณสมบัติทางแม่เหล็กของเครื่องตรวจจับ ซึ่งจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยใช้เครื่องวัดความเข้มข้นของสนามแม่เหล็กแบบ SQUID ที่คล้ายกับที่ใช้กันทั่วไปในการตรวจเอกซเรย์ด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก เครื่องตรวจจับ maXs30 มีความละเอียดของพลังงานที่ไม่เคยมีมาก่อนและได้รับความเป็นเส้นตรง ยังคงใช้เวลาประมาณ 12 สัปดาห์ในการวัดอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้สเปกตรัมรังสีแกมมาที่มีความแม่นยำเพียงพอ

ในการทำให้การวัดผลที่ท้าทายนี้เป็นไปได้ ทีมของศาสตราจารย์ Christoph Düllmann ในเมืองไมนซ์และดาร์มสตัดท์ได้ผลิตตัวอย่างพิเศษของยูเรเนียม-233 ขั้นแรก พวกเขากำจัดผลิตภัณฑ์ของลูกสาวที่เน่าเปื่อยทั้งหมดที่สร้างขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปก่อนที่จะใช้ตัวอย่าง พวกเขายังเอาไอโซโทปรังสีที่ไม่ต้องการออกไปด้วย ซึ่งการสลายตัวจะนำไปสู่พื้นหลังที่ไม่ต้องการในข้อมูลที่วัดได้ จากนั้นจึงออกแบบเรขาคณิตของแหล่งกำเนิดและคอนเทนเนอร์ตัวอย่างที่นำไปสู่การรบกวนน้อยที่สุดของสัญญาณอ่อนระหว่างทางจากตัวอย่างไปยังเครื่องวัดปริมาณความร้อน maXs30 ขั้นตอนเหล่านี้จำเป็นสำหรับความสำเร็จของการวัด เนื่องจากกระบวนการสลายตัวเพียงหนึ่งใน 10,000 จะสร้างสัญญาณที่เป็นประโยชน์สำหรับการกำหนดพลังงานไอโซเมอร์ การวัดสร้างสเปกตรัมรังสีแกมมาที่แม่นยำที่สุดของยูเรเนียม-233 ถึงทอเรียม-229 การสลายตัวจนถึงปัจจุบัน ทีมของศาสตราจารย์ Thorsten Schumm ที่ TU Wien ร่วมกับทีม Heidelberg ได้ใช้รูปแบบที่แตกต่างกันสี่แบบเพื่อให้ได้มาซึ่งพลังงานของสถานะไอโซเมอร์จากข้อมูลนี้ ค่าที่แม่นยำที่สุดให้ค่าอิเล็กตรอนโวลต์ 8.10 (17) ซึ่งสอดคล้องกับแสงที่มีความยาวคลื่น 153.1 (32) นาโนเมตร โดยตัวเลขในวงเล็บแสดงถึงความไม่แน่นอนของตัวเลขสุดท้าย การวัดนี้ปูทางไปสู่การกระตุ้นด้วยเลเซอร์โดยตรงของไอโซเมอร์ทอเรียม-229บาคาร่า สมัครบาคาร่า