原子時計は退場。核時計が到来

原子時計は70年以上にわたり世界で最も正確な時間を計測する手段として機能してきたが、その時代はついに終焉を迎えるかもしれない。9月4日の米国立標準技術研究所（NIST）の発表によると、国際研究チームが原子時計の初代プロトタイプの完成にかつてないほど近づいているという。プロトタイプが完成すれば、精度の向上によりGPSやインターネット速度からデジタルセキュリティまであらゆるものがアップグレードされるだけでなく、暗黒物質の性質やその他基本的な素粒子物理学理論の解明にも役立つ可能性があると専門家は考えている。

一見、この 2 つの時計に大きな違いはないと思われるかもしれませんが、すべてはスケールの問題です。原子時計は、1 秒を指定するために個々の原子の正確な振動を測定することにより計時を行います。これを行うには、高出力レーザー光をセシウム 133 原子に照射します。これにより、原子の電子が励起され、1 秒間に正確に 9,192,631,770 回の振動でエネルギー レベル間の位相が変化します。その後、地球上の原子時計ネットワークがこの測定結果に基づいてシステムを同期し、インターネット通信、地図作成、宇宙打ち上げなど、さまざまな用途に極めて正確な調整を提供します。2014 年以降、米国の主要な現在の標準である NIST のセシウム噴水時計は、3 億年に 1 秒の不確かさで時間を計ることができます。

しかし、原子核時計は、これらの概念を指数関数的に細かく調整されたパラメータに適用します。その名前が示すように、これらのデバイスは、より大きな原子の振動ではなく、単一の原子核の振動に焦点を当てています。原子核（原子全体の 10 万分の 1 の大きさ）に照射されたレーザー光には、より高い周波数が必要であり、これにより、1 秒あたりの波のサイクルも増加します。これにより、1 秒あたりの振動が増加し、結果として精度が向上します。理論的には、これにより時間の不確実性が生じ、比較すると 3 億年は信頼できないように見えます。

「何十億年も動かし続けても一秒たりとも遅れない腕時計を想像してください」と、NISTとJILAの物理学者ジュン・イェ氏は水曜日の発表で述べた。「まだそこまでには至っていませんが、この研究によってその精度レベルに近づきました。」

一般的に言えば、原子核が同様の位相ジャンプを起こすにはコヒーレントなX線が必要だが、現在の技術では、これを行うのに必要なレベルのエネルギーを生成することができない。このハードルを回避するために、研究者はトリウム229に目を向けた。この原子核は、他のどの既知の原子よりも小さなジャンプを示し、刺激にはより低エネルギーの紫外線しか必要としない。

トリウム原子核が小さな結晶の中に浮遊したら、研究者らは予測可能な間隔で紫外線レーザー光線を照射し、いわゆる光周波数コム（「極めて正確な光の物差し」と説明される）を使用して陽子と中性子の振動の「刻み」を数えた。その結果、これまでの波長ベースの測定より約100万倍も高い精度が得られた。研究チームはまた、その紫外線周波数を、世界で最も正確なストロンチウムベースの原子時計の光周波数と比較し、原子核遷移と原子ブロック間の初の「直接周波数リンク」を確立した。これは「原子核時計の開発と既存の計時システムとの統合における重要なステップ」だとNISTは述べている。

[関連:史上最も正確な原子時計が再びアインシュタインの正しさを証明している。]

これらの実験で破られたのは、時間測定の障壁だけではない。新しいアレイにより、物理学者はトリウム原子核の形状を画期的な詳細さで観察することも可能になった。研究チームはこれを、飛行機の中から草の葉を一本一本観察できるのと似ているとしている。

完全に完成した核時計ではないが、研究者らは初めてその基本原理の実現可能性を実証した。専門家らはここから、こうしたツールを実際に活用するための実際の装置の設計に取り掛かることができる。核時計が完成すれば、将来的にはより高速で信頼性の高いインターネット接続やより正確なマッピング システムをサポートし、暗黒物質の検出や自然界の理論定数の検証など、物理学の世界における大きな発見を促進することになるかもしれない。しかも、すべて巨大な粒子加速器を必要とせずに実現できるのだ。