原子钟是世界上最精确的计时器。基于原子两个电子态之间的周期性跃迁，它们可以跟踪时间的流逝，精度高达五分之一，这意味着它们在300亿年中不会丢失或增加一秒——超过两倍宇宙的年龄。

在5月24日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，CERN核物理设施ISOLDE的国际团队报告了朝着构建时钟迈出的关键一步，该时钟将基于原子核(同位素的核)两种状态之间的周期性转变钍元素，钍229。

由于原子核的大小和成分与原子不同，因此这种核钟可能比当今最精确的原子钟更精确。此外，它还可以作为一种灵敏的工具，用于搜索标准模型之外的新现象，标准模型是目前对亚原子世界的最好描述。例如，它可以让研究人员寻找自然界基本常数随时间的变化，并寻找超轻暗物质。

自2003年EkkehardPeik和ChristianTamm提出基于钍229原子核基态与第一高能态(称为异构体)之间跃迁的核钟以来，研究人员一直在竞相观察和表征这种核转变。

在过去的二十年里，研究人员以越来越精确的方式测量了异构体的能量，开发激光以驱动向异构体的转变需要精确的能量值。然而，尽管付出了很多努力，他们仍未成功观察到从异构体到基态转变时发出的光。这种现象，用核物理学家的说法称为异构体的辐射衰变，具有相对较长的寿命，是开发核钟的关键要素，因为除其他外，它可以通过以下方式确定异构体的能量更高的精度。

一个在ISOLDE工作的团队现在已经实现了这一壮举，他们以一种新颖的方式生产了同分异构状态的钍229原子核，并使用一种称为真空-紫外光谱的技术研究了这些原子核。观察到的光的波长对应于8.338电子伏特(eV)的异构体能量，不确定度为0.024eV——这个值比以前最精确的测量值精确七倍。

该团队成功的重要因素是通过所谓的actinium-229同位素的β衰变生产同分异构的thor-229核，这些同位素是在ISOLDE制造的，并掺入氟化钙或氟化镁晶体中。

“ISOLDE目前是世界上仅有的两个可以生产actinium-229同位素的设施之一，”该论文的主要作者SandroKraemer说。“通过将这些同位素掺入氟化钙或氟化镁晶体中，我们产生了更多同分异构的钍229原子核，并增加了观察它们辐射衰变的机会。”

生产钍229原子核的新方法也使得确定异构体在氟化镁晶体中的寿命成为可能。需要有关此寿命的知识来预测基于此固态系统的钍229核钟的精度。测得的长寿命，即16.1分钟，不确定性为2.5分钟，证实了理论估计，并表明可以达到与当今最精确的原子钟相媲美的时钟精度。

“诸如氟化镁晶体之类的固态系统是构建未来钍229核钟的两种可能设置之一，”该团队的发言人PietVanDuppen说。“我们的研究标志着朝这个方向迈出的关键一步，它将促进驱动周期性转变所需的激光器的发展，从而使这种时钟滴答作响。”

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