Hypernauwkeurige thoriumklok stap dichterbij

De atoomklokken van vandaag houden de tijd al heel precies bij, maar een kernklok zou nóg beter kunnen doen. Zo’n klok is gebaseerd op een bijzondere, unieke vorm van het element thorium. In een experiment in het Europees deeltjeslab Cern in Genève hebben fysici van de KU Leuven rechtstreeks het proces waargenomen dat de thoriumklok doet ‘tikken’. Dat is een primeur. En een essentiële stap in de ontwikkeling van een kernklok, die naast praktische toepassingen ook nieuwe mogelijkheden schept voor fundamenteel onderzoek.

https://videos.cern.ch/record/2297990

Waar het ‘tikken’ van een atoomklok wordt bepaald door elektronen die tussen verschillende energetische niveaus verspringen, gebeurt dit bij een kernklok op basis van energetische sprongen van kerndeeltjes. Doordat de kern van een atoom doorgaans vele malen kleiner is dan het volledige atoom, is een kernklok stabieler en minder gevoelig voor omgevingsfactoren dan een atoomklok. En tikt ze dus nóg preciezer. Althans dat is zo in theorie, want we beschikken nog niet over een kernklok.

Toch lijkt het een kwestie van tijd voor atoomklokken concurrentie zullen krijgen van kernklokken. Dat zouden dan thoriumklokken zijn, gebaseerd op een specifieke verschijningsvorm van dit element, namelijk thorium-229m. Deze vorm is uitermate bijzonder en zelfs uniek op de nuclidenkaart (de uitgebreide versie van de tabel van Mendeljev waarin voor elk element ook de bekende isotopen staan vermeld).

Waar er in een atoomkern doorgaans heel veel energie nodig is om een proton of neutron naar een ander, hoger energieniveau te brengen, is dit bij de overgang van thorium-229 (de energetische ‘grondtoestand’ van dit thoriumisotoop) naar thorium-229m helemaal niet zo. De vereiste energie is zo klein dat ze overeenkomt met straling die nog in de buurt ligt van het zichtbare spectrum – het gaat om een vorm van ultraviolette straling die zich enkel in vacuüm voortplant. Thorium-229m kan daardoor met een laser op basis van deze straling uit thorium-229 worden bekomen. Deze overgang vormt precies de basis van het tikken van de ‘thoriumklok’.

In een experiment in het Europese deeltjeslaboratorium Cern, in Genève, heeft een internationale groep fysici geleid door onderzoekers van KU Leuven nu de ultraviolette straling kunnen detecteren die wordt uitgezonden bij de omgekeerde overgang, wanneer thorium-229m spontaan terugvalt naar zijn grondtoestand, thorium-229. Daarmee hebben de onderzoekers een primeur beet, want voor het eerst konden ze rechtstreeks het proces waarnemen dat de thoriumklok doet tikken. Daarnaast konden ze ook de energie van de overgang zeer nauwkeurig bepalen, juist door de golflengte van de uitgezonden straling te meten. De resultaten van het experiment zijn gepubliceerd in het vakblad Nature.

De primeur vond plaats in het Isolde-faciliteit, een van de oudste labo’s van het Cern. Daar wordt al tientallen jaren geëxperimenteerd met bundels radioactieve, instabiele deeltjes. Een internationaal team onder leiding van Piet Van Duppen en Mark Huyse (Instituut voor Kern- en Stralingsfysica) en André Vantomme en Lino Pereira (Quantum Solid State Physics) kwam op het idee om in Isolde thorium-229m op een radicaal andere manier te gaan aanmaken. Waar dit normaal gebeurt op basis van uranium, gebruikten de kernfysici nu het radioactieve element actinium. “Doordat actinium kortlevend is, kan deze methode enkel worden toegepast in gespecialiseerde labo’s zoals Isolde”, zegt Sandro Kraemer, die onlangs aan de KU Leuven op dit onderzoek is gepromoveerd. “Een belangrijk voordeel is dat er veel minder achtergrondstraling is. Bij de uraniummethode belemmert die immers de detectie van de ultraviolette straling.”

Prototype van een kernklok in de maak

Nadat het thorium-229m was aangemaakt, werden de kernen ingeplant in kristallen – vaste stof-structuren dus. Daarmee is meteen een piste geopend voor de daadwerkelijke ontwikkeling van een prototype van een thoriumklok. “De inplanting in kristallen maakt het mogelijk om heel veel thoriumkernen in een betrekkelijk klein volume samen te brengen”, zegt professor Piet Van Duppen. “Dit maakt het in de toekomst mogelijk om kleine kernklokken te maken.” Zo’n miniatuur-kernklok zou onder meer interessant zijn voor gps-satellieten, die daardoor nog preciezer posities op het aardoppervlak zullen kunnen bepalen.

Maar een kernklok kan ook heel andere toepassingen hebben, bijvoorbeeld in de fundamentele fysica. “In een kernklok spelen naast de elektromagnetische kracht ook de twee kernkrachten een rol. Daardoor zijn het op zich uitstekende laboratoria om deze drie fundamentele krachten, en vooral hun interacties met de materie, verder te bestuderen”, besluit Van Duppen.