Zegar jądrowy z toru może pomóc zbadać ciemną materię

Zegar jądrowy z toru-229 wykorzystuje niezwykłą właściwość jądra atomowego, które można pobudzać precyzyjnie dobranym światłem lasera. Dwa niezależne zespoły pokazały, że tak uzyskany wzorzec może sterować działającym urządzeniem do pomiaru czasu. Otwiera to drogę do dokładniejszych zegarów, nowych badań grawitacji i testowania wybranych teorii ciemnej materii.

.„Le Figaro” opisuje przełom, którego znaczenie wykracza poza samo odmierzanie sekund. W materiale opublikowanym 9 października 2026 r. dziennik przedstawia wyniki dwóch zespołów, które wykorzystały jądra toru do skonstruowania nowego rodzaju zegara. Ich prace ukazały się 7 października w „Nature”, a najważniejsza zmiana polega na tym, że badane jądra stały się wzorcem sterującym częstotliwością lasera. Powstał więc układ, który potrafi sam korygować swój rytm na podstawie właściwości materii.

Jedną z prac przygotował zespół skupiony wokół Thorstena Schumma z Politechniki Wiedeńskiej, TU Wien, oraz Ekkeharda Peika z niemieckiego instytutu metrologicznego Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB. Pierwszym autorem publikacji jest Luca Toscani De Col, a urządzenie działało przez ponad 24 godziny bez ingerencji operatora. Drugi zespół, kierowany przez Shiqiana Dinga z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie, niezależnie uruchomił zegar oparty na tym samym izotopie, lecz z innym rozwiązaniem źródła światła. Równoległy sukces dwóch grup wzmacnia podstawy tej technologii, chociaż jej obecne osiągi wciąż ustępują najlepszym optycznym zegarom atomowym.

Jak działa zegar jądrowy

Każdy zegar potrzebuje regularnego zjawiska i sposobu liczenia jego powtórzeń. W zegarze wahadłowym takim zjawiskiem jest ruch wahadła, a w zegarku kwarcowym drgania kryształu pod wpływem napięcia. Zegary atomowe wykorzystują jako wzorzec ściśle określoną częstotliwość promieniowania, odpowiadającą przejściu atomu między dwoma stanami energii. Można ją sobie wyobrazić jako bardzo dokładnie określony ton, do którego trzeba dostroić generator.

Atomy mogą pochłaniać i emitować energię w określonych porcjach, dlatego do wywołania wybranego przejścia potrzebne jest promieniowanie o odpowiedniej częstotliwości. Naukowcy dostrajają generator, obserwują odpowiedź atomów, a następnie wykorzystują ją do utrzymania właściwego rytmu. W przypadku cezu-133 tym promieniowaniem są mikrofale, natomiast w zegarach optycznych używa się światła laserowego. Sama sekunda jest obecnie zdefiniowana przez przyjęcie dokładnej wartości częstotliwości przejścia w cezie, wynoszącej 9 192 631 770 herców, czyli tylu okresów promieniowania w jednej sekundzie.

Zegar jądrowy przenosi wzorzec częstotliwości do wnętrza atomu, do przejścia między dwoma stanami energii jego jądra. W nowych eksperymentach laser przechodzi przez niewielki kryształ fluorku wapnia zawierający tor-229, a detektor mierzy pochłanianie światła związane z pobudzaniem jąder. Układ elektroniczny rozpoznaje odstrojenie i na tej podstawie koryguje częstotliwość lasera. Tworzy to pętlę sprzężenia zwrotnego, w której jądra dostarczają informacji potrzebnej do ciągłego dostrajania urządzenia.

Dla zrozumienia mechanizmu istotne jest, że liczone oscylacje należą do pola elektromagnetycznego światła, którego częstotliwość została ustabilizowana przez przejście jądrowe. Określenie „tykanie jądra” jest obrazowym skrótem opisującym rolę jądra jako wzorca. Do przełożenia tak szybkiego rytmu na częstotliwości dostępne elektronice służy grzebień częstotliwości optycznych, rodzaj precyzyjnej przekładni między światłem a sygnałem zegarowym. Dzięki temu właściwość badanego jądra może stać się podstawą pomiaru czasu.

Dlaczego właśnie tor-229

Większość przejść jądrowych wymaga energii znacznie większej niż ta, którą można dostarczyć laserem optycznym. Tor-229 stanowi wyjątkowy przypadek, ponieważ różnica energii między jego stanem podstawowym a nisko położonym stanem wzbudzonym wynosi około 8,4 elektronowolta. Odpowiada to światłu ultrafioletowemu o długości fali około 148,4 nanometra i częstotliwości około 2 × 10¹⁵ herców, czyli dwóch biliardów oscylacji na sekundę. Ten zakres stał się dostępny dzięki specjalnie opracowanym źródłom laserowym.

Ważny etap tej drogi opisano już w „Physical Review Letters” w kwietniu 2024 r., kiedy zespół PTB i TU Wien wykazał laserowe wzbudzanie jąder toru umieszczonych w kryształach. Kolejne doświadczenia pozwoliły coraz lepiej określać częstotliwość przejścia oraz sposób odczytywania odpowiedzi jąder. Obecny postęp polega na wykorzystaniu tej odpowiedzi do sterowania laserem w pracującym zegarze. Badane zjawisko stało się zatem elementem układu pomiarowego, który stale kontroluje własną częstotliwość.

Kryształ jest ważny również ze względów praktycznych, ponieważ pozwala zebrać wiele jąder w niewielkiej objętości i badać je równocześnie. Uniwersytet Tsinghua podał, że chiński zespół wykorzystał do wyhodowania swojego kryształu zaledwie 1,4 mikrograma toru-229. Według uczelni było to około 200 razy mniej izotopu niż przy wzroście kryształu w europejskim przedsięwzięciu. Ma to znaczenie dla dalszych prac, ponieważ tor-229 jest trudno dostępnym materiałem, a budowa kolejnych urządzeń wymaga zarówno odpowiednich kryształów, jak i specjalistycznych laserów.

Główna nadzieja związana z jądrem dotyczy jego mniejszej podatności na część zakłóceń elektromagnetycznych, które wpływają na przejścia elektronowe. Sama częstotliwość jest tylko kilka razy większa od częstotliwości wielu zegarów optycznych, więc przyrost liczby „podziałek” nie wyjaśnia całego zainteresowania. Jak wskazuje rozmówca „Le Figaro”, Jérôme Lodewyck z CNRS i Laboratoire Temps Espace Obserwatorium Paryskiego, liczy się przede wszystkim możliwość uzyskania stabilniejszego wzorca. Jądra umieszczone w krysztale nadal reagują jednak na jego właściwości, dlatego potrzebne są pomiary wpływu temperatury, domieszkowania i lokalnej struktury materiału.

Badanie opublikowane w „Nature” w styczniu 2026 r. dobrze pokazuje skalę tego wyzwania. Zespół związany z JILA, NIST, Uniwersytetem Kolorado w Boulder i TU Wien porównał przejście jądrowe w dwóch kryształach o różnym domieszkowaniu, uzyskując przy temperaturze około 195 kelwinów powtarzalność częstotliwości na poziomie 1,1 × 10⁻¹³ przez siedem miesięcy. Naukowcy wskazali też temperaturę około 196 kelwinów, czyli minus 77 stopni Celsjusza, przy której znika wrażliwość pierwszego rzędu na temperaturę. Wyniki te pokazują zarówno obietnicę nowego wzorca, jak i konieczność precyzyjnego kontrolowania jego otoczenia.

Przy porównywaniu zegarów trzeba rozróżniać stabilność, niepewność systematyczną i powtarzalność. Stabilność mówi, jak bardzo zmienia się częstotliwość w określonym czasie, niepewność systematyczna opisuje niedokładność oceny trwałych przesunięć, a powtarzalność pokazuje zgodność kolejnych pomiarów lub różnych urządzeń. Dlatego podane przez „Le Figaro” wartości rzędu 10⁻¹³ dla nowej technologii wymagają odczytania wraz z warunkami eksperymentu. Zestawienie ich z wynikiem innego zegara ma sens dopiero wtedy, gdy wiadomo, jaką cechę i przez jaki czas mierzono.

Do czego przydaje się tak dokładny pomiar czasu?

Skalę obecnych możliwości pokazuje wynik ogłoszony 23 września 2026 r. przez National University of Singapore. Zespół Centre for Quantum Technologies, kierowany przez Murraya Barretta, przedstawił zegar optyczny wykorzystujący jon lutetu, z deklarowaną niepewnością na poziomie 1 × 10⁻¹⁹. W porównaniu dwóch urządzeń, prowadzonym przez ponad 200 godzin, uzyskano zgodność z niepewnością 5,7 × 10⁻¹⁹. Obrazowe przeliczenie pierwszej wartości odpowiada jednej sekundzie na około 300 miliardów lat, przy założeniu utrzymania stałej względnej odchyłki, co ilustruje skalę pomiaru, a nie czas rzeczywiście przeprowadzonego testu.

Tak małe różnice mają znaczenie, ponieważ pomiar czasu pozwala ustalać odległość. Nawigacja satelitarna wykorzystuje czas propagacji sygnału, a światło w próżni pokonuje w ciągu jednej nanosekundy około 30 centymetrów. Taką samą skalę ma więc błąd pomiaru drogi sygnału wynikający z błędu czasu o jedną miliardową sekundy. Dokładniejszy wzorzec może poprawiać ten element pomiaru, choć na końcowy wynik nawigacji wpływają także orbity satelitów, atmosfera, odbiornik i geometria obserwacji.

Równie istotna jest synchronizacja urządzeń działających w różnych miejscach. Oficjalne materiały GPS.gov wskazują jej rolę w telekomunikacji, sieciach energetycznych, finansach i rozproszonych systemach pomiarowych. W energetyce porównywanie czasu nadejścia zaburzenia do poszczególnych punktów sieci pomaga ustalić miejsce awarii, a we wspólnych eksperymentach naukowych pozwala zestawiać obserwacje odległych detektorów. Dla tych zastosowań ważna będzie także możliwość budowy zegarów wystarczająco małych, odpornych i prostych w obsłudze, aby pracowały poza specjalistycznym laboratorium.

Najbardziej niezwykłe zastosowania pojawiają się w geodezji, ponieważ zgodnie z ogólną teorią względności tempo upływu czasu zależy od potencjału grawitacyjnego. W pobliżu powierzchni Ziemi zegar umieszczony wyżej tyka nieco szybciej, a porównanie częstotliwości pozwala wyznaczyć różnicę tego potencjału. W 2022 r. badacze JILA zmierzyli taki efekt między różnymi częściami chmury atomów strontu, rozdzielonymi wysokością około jednego milimetra. Zegary mogą więc działać jak wyjątkowo czułe czujniki grawitacji, dostarczające informacji o wysokości i rozkładzie masy.

NIST opisuje perspektywę sieci takich czujników, które uzupełniałyby obserwacje satelitarne i pomiary terenowe. Mogłyby pomagać w śledzeniu przemieszczania się wód podziemnych, zmian związanych z ruchem magmy oraz przekształceń powierzchni Ziemi. Pozostaje to kierunkiem rozwoju wymagającym niezawodnych urządzeń przenośnych i bardzo dobrych połączeń do porównywania zegarów. Dzisiejsze eksperymenty nie oznaczają jeszcze gotowego systemu przewidywania trzęsień ziemi lub erupcji wulkanów.

Związek dokładnego czasu z badaniem grawitacji widać też w europejskim eksperymencie ACES na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Zestaw obejmuje cezowy zegar PHARAO, opracowany przez francuską agencję CNES, i wodorowy maser, a jego zakładane parametry ESA przedstawia obrazowo jako sekundę odchylenia na 300 milionów lat. Porównania zegarów orbitalnych i naziemnych służą testowaniu grawitacyjnego wpływu na upływ czasu, badaniu stałych fizycznych i pomiarom różnic potencjału między odległymi miejscami. Zegary jądrowe rozwijają się zatem w dziedzinie, w której bardzo dokładny pomiar już dziś jest narzędziem badania świata.

Jak zegar może szukać ciemnej materii?

Osobny powód zainteresowania torem wiąże się z poszukiwaniem ciemnej materii, której obecność wnioskuje się przede wszystkim z jej wpływu grawitacyjnego. Część teorii zakłada, że tworzą ją niezwykle lekkie cząstki, których zbiorowe zachowanie można opisywać jako oscylujące pole przenikające przestrzeń. Jeżeli takie pole oddziałuje z materią w przewidywany przez dany model sposób, może powodować drobne, okresowe zmiany wielkości określających energie przejść atomowych i jądrowych. Zegar staje się wtedy detektorem, który szuka charakterystycznej zmiany częstotliwości.

Tor-229 jest szczególnie interesujący, ponieważ jego niewielka energia przejścia wynika z niemal znoszących się, znacznie większych wkładów oddziaływań jądrowych i elektromagnetycznych. Można to porównać do odejmowania dwóch dużych, prawie równych liczb, którego wynik jest mały. Drobna zmiana jednej z tych liczb może mocno zmienić wynik w stosunku do jego początkowej wartości. Właśnie dlatego przejście w torze może silnie reagować na pewne zmiany podstawowych parametrów fizycznych, mimo że jako wzorzec czasu urządzenie dopiero dojrzewa.

W europejskim eksperymencie porównywano zegar torowy z optycznym zegarem wykorzystującym jon iterbu, poszukując okresowych zmian i wolnych dryfów częstotliwości. Analiza obejmowała skale czasu od około 20 sekund do jednej doby. Pozwoliła ograniczyć dopuszczalną siłę wybranych oddziaływań hipotetycznej ultralekkiej ciemnej materii, z czułością konkurencyjną wobec zaawansowanych badań zegarami atomowymi dla określonych modeli. Są to granice nakładane na teorie, a potwierdzenie wykrycia ciemnej materii wymagałoby osobnego, przekonującego sygnału i jego niezależnej weryfikacji.

Znaczenie tej metody opisano już w 2025 r. w „Physical Review X”, w pracy zespołu obejmującego badaczy PTB, Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze i Instytutu Weizmanna. Autorzy pokazali, jak analizować widmo przejścia toru pod kątem oddziaływań ciemnej materii z kwarkami i gluonami, czyli składnikami i nośnikami oddziaływań istotnych dla budowy jąder. Jest to czułość uzupełniająca możliwości zegarów elektronowych, które reagują inaczej na poszczególne modele nowych oddziaływań. O wartości urządzenia jako detektora decyduje więc także to, na jaki rodzaj zjawiska jest szczególnie wrażliwe.

W tej dziedzinie istnieje również polski dorobek. Naukowcy Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu wykorzystali Polski Optyczny Zegar Atomowy, powstały we współpracy UMK, Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Jagiellońskiego, do poszukiwania określonej postaci ciemnej materii. W badaniu opisanym w „Nature Astronomy” porównywali odpowiedź atomów i wnęki optycznej, aby wyznaczyć granice hipotetycznego oddziaływania. Przypadek ten pokazuje, jak urządzenia budowane do metrologii mogą służyć pytaniom kosmologicznym, których szerszy kontekst przedstawiamy także w tekście o tym, dlaczego większość Wszechświata pozostaje niewidzialna.

Czy zmieni się definicja sekundy?

Rozwój tych badań zbiega się z przygotowaniami do nowej definicji sekundy, ponieważ najlepsze zegary optyczne przewyższają już cezowe realizacje obecnego wzorca. Międzynarodowe Biuro Miar, BIPM, wskazuje 2030 r. jako zasadniczy termin możliwej decyzji, uzależnionej od spełnienia kryteriów i osiągnięcia porozumienia. Rozważane rozwiązania obejmują wybrane przejście optyczne lub odpowiednio zdefiniowaną kombinację częstotliwości różnych przejść. Wdrożenie ewentualnej zmiany miałoby nastąpić po decyzji konferencji w 2030 r.

To odrębny proces od rozwoju zegarów jądrowych, które muszą jeszcze wykazać długotrwałą niezawodność, powtarzalność i kontrolę błędów systematycznych. Planowana zmiana wzorca ma zachować ciągłość jednostki, dzięki czemu sekunda w codziennym użyciu zachowa swoją długość. Nowe urządzenia mają pozwolić realizować ją i porównywać dokładniej, a przy okazji mierzyć subtelne właściwości grawitacji oraz materii. Znaczenie postępu opisanego przez „Le Figaro” polega właśnie na połączeniu pomiaru czasu z możliwością stawiania nowych pytań o prawa fizyki.

Andrzej F. Litwiński