पहली nuclear clock बुनियादी constants में बदलाव की जांच के लिए तैयार

 (quantamagazine.org)
2 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-09-06 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • JILA के शोधकर्ताओं ने thorium-229 परमाणु नाभिक की दो अवस्थाओं के बीच transition को 1 ट्रिलियन में 1 की precision से मापा, जिससे 50 वर्षों से चली आ रही nuclear clock transition की laser frequency खोज व्यावहारिक रूप से पूरी हो गई
  • thorium-229 एक अनोखा मामला है जिसमें परमाणु नाभिक के भीतर electromagnetic force और strong nuclear force में बदलाव लगभग एक-दूसरे को cancel कर देते हैं, इसलिए कम ऊर्जा से nuclear transition कराया जा सकता है
  • अप्रैल 2024 में यूरोपीय शोधकर्ताओं और जुलाई में UCLA group के बाद JILA का परिणाम आया, और यह मापन पिछली observations से लाखों गुना अधिक precise है
  • nuclear clock transition बुनियादी constants में बदलाव के प्रति atomic states की तुलना में कहीं अधिक sensitive है, लेकिन संभावित बदलाव 10 ट्रिलियन में 1 के स्तर का हो सकता है, इसलिए precision में और सुधार की जरूरत है
  • thorium-229 nuclear clock dark matter axion या string theory जैसे models द्वारा predict किए गए physics के नियमों में समय के साथ बदलाव को experimental रूप से verify करने का नया tool बन सकती है

JILA द्वारा thorium-229 nuclear clock transition का मापन

  • मई 2024 की एक रात, JILA के graduate student Chuankun Zhang ने thorium-229 परमाणु नाभिक के दो अवस्थाओं के बीच switch करने वाले nuclear clock transition signal की पुष्टि की
  • शोधकर्ताओं ने कई verification प्रक्रियाओं के बाद निष्कर्ष निकाला कि यह signal वास्तविक thorium-229 nuclear transition है
  • Jun Ye research group के मापन परिणाम 4 सितंबर 2024 को Nature में reported हुए
  • यह पिछले 4 महीनों में प्रकाशित thorium-229 transition observations में तीसरा परिणाम है, जो Germany और California के शोधकर्ताओं के परिणामों के बाद आया
  • यह मापन पिछले results की तुलना में लाखों गुना अधिक precise है, इसलिए यह nuclear clock transition को trigger करने वाली exact laser frequency की लंबी खोज को समाप्त करने जैसा है

thorium-229 खास क्यों है

  • सामान्य atomic clocks उस प्रक्रिया का उपयोग करती हैं जिसमें electron photon absorb करके excited state में जाता है और फिर ground state में लौटता है
    • cesium atom transition से मेल खाने वाली wavelength आज 1 second के international standard को define करती है
    • 1 second को उस wavelength की 9,192,631,770 waves के space में एक point से गुजरने के समय के रूप में define किया गया है
  • परमाणु नाभिक में भी ground state और excited state होती हैं, लेकिन protons और neutrons electrons की तुलना में कहीं अधिक tightly bound होते हैं, इसलिए आम तौर पर gamma rays जैसे कहीं अधिक high-energy photons की जरूरत होती है
  • thorium-229 परमाणु नाभिक में अपवादस्वरूप nuclear transition के लिए जरूरी energy बहुत कम होती है
    • नाभिक के भीतर protons के बीच electromagnetic force नाभिक को तोड़ने की कोशिश करती है, जबकि strong nuclear force नाभिक को बांधे रखती है
    • thorium-229 के सबसे बाहरी neutron spin में बदलाव के दौरान इन दोनों forces में बदलाव लगभग ठीक-ठीक cancel हो जाता है, जिससे excited state और ground state के बीच energy difference बेहद छोटा रह जाता है
    • सामान्य nuclear excitation की तुलना में करीब 10,000 गुना कम energy से transition संभव है

Cold War के byproduct से मिला experimental material

  • thorium-229, Cold War दौर के nuclear weapons research के byproduct uranium-233 decay से मिलता है
  • अमेरिका ने 1950s से 1970s तक लगभग 2 टन uranium-233 produce किया था, जिसे uranium-235 और plutonium-239 के alternative के रूप में weapon-grade fissile material के तौर पर विचार किया जा रहा था
  • 1976 में Idaho National Laboratory के Larry Kroger और Charles Reich ने uranium-233 waste liquid से निकलने वाले radiation का study करते हुए indirect evidence पाया कि thorium-229 में उम्मीद से कहीं कम energy वाली nuclear excited state मौजूद है
  • 1990 में Reich और उनके colleagues ने अधिक precise remeasurement से confirm किया कि इस excited state की energy शुरू में सोची गई ऊर्जा से 10 गुना से भी अधिक कम है
  • nuclear transition के लिए आम तौर पर लाखों electronvolts चाहिए होते हैं, लेकिन thorium-229 transition 10 electronvolts से कम है
    • यह energy range ऐसी है जिसे मौजूदा lasers स्थिर और precise तरीके से deliver कर सकते हैं
    • Eric Hudson ने कहा कि सभी atomic nucleus charts में ऐसा case केवल thorium-229 ही है

nuclear clock idea और fundamental constants की जांच

  • 2003 में Ekkehard Peik और Christian Tamm ने thorium-229 का उपयोग करने वाली nuclear clock का proposal दिया
  • परमाणु नाभिक electron cloud से घिरा होने के कारण बाहरी दुनिया से shielded रहता है, इसलिए thorium-229 आधारित clock उस समय की best atomic clocks को परेशान करने वाले background interference के प्रति कम sensitive हो सकती है
  • Victor Flambaum ने दिखाया कि ऐसी sensitive और isolated clock प्रकृति की constancy को test करने के लिए इस्तेमाल की जा सकती है
  • physics equations में speed of light, gravitational constant जैसे लगभग 26 fundamental constants शामिल होते हैं
  • string theory जैसी theories predict करती हैं कि ये numbers समय के साथ बेहद थोड़ा बदल सकते हैं
  • dark matter के एक लोकप्रिय model के अनुसार, अगर dark matter axion नामक wave-like particles से बना है, तो अलग-अलग जगह axion density में बदलाव कुछ forces की strength को ऊपर-नीचे कर सकता है
  • forces की strength में बदलाव परमाणु नाभिक states की energy बदल सकता है
    • परमाणु नाभिक states की energy protons और neutrons पर काम करने वाली बड़ी electromagnetic force और strong nuclear force को जोड़ने-घटाने की प्रक्रिया से तय होती है
    • thorium-229 transition में energy difference बहुत छोटा है, इसलिए forces में छोटे बदलाव भी विशेष रूप से बड़े असर के रूप में दिख सकते हैं

laser frequency खोज की race

  • शुरुआत में nuclear clock transition के लिए जरूरी energy का estimate, शोधकर्ताओं द्वारा खोजी जा रही laser wavelengths की तुलना में 1,000 गुना कम precise था
  • शोधकर्ताओं को हजारों laser wavelengths को एक-एक करके eliminate करना पड़ता था, और कुछ thorium-229 atoms को trap करके उन पर laser डालना और photons का इंतजार करना बहुत ज्यादा समय लेने वाला तरीका था
  • Eric Hudson के approach के मुताबिक कई groups ने thorium को अंदर शामिल करने वाले solid crystal compounds बनाना शुरू किया
    • crystal में कुछ atoms नहीं, बल्कि हजारों ट्रिलियन atoms रखे जा सकते हैं
    • laser से कई wavelengths को तेजी से eliminate किया जा सकता है
  • CERN team ने 2023 में radioactive decay से excited thorium-229 बनाया और ज्यादा शांत environment में nuclear clock transition की faint ultraviolet light को सीधे measure करने की breakthrough हासिल की
  • CERN result से search range काफी narrow हो गई, और अप्रैल 2024 में European team ने laser से उस state को probe करने का result पहली बार report किया
  • UCLA के Hudson group ने भी जुलाई 2024 में Physical Review Letters में discovery result publish किया
  • JILA के Jun Ye group ने Thorsten Schumm द्वारा बनाए गए crystals में से एक हासिल किया और thorium-229 को nuclear clock बनाने के लिए special ultraviolet laser develop किया
    • यह laser कई wavelengths को एक साथ test करके transition खोजने में इस्तेमाल होता है
    • JILA result इन तीन parallel discoveries को सबसे precise energy measurement के साथ complete करने जैसा है

ज्यादा precision की जरूरत क्यों है

  • thorium nuclear states की energy fundamental constants में बदलाव के प्रति किसी भी atomic state से कहीं अधिक sensitive है
  • फिलहाल Ye group nuclear clock transition को 1 ट्रिलियन में 1 precision से measure कर सकता है
  • मौजूदा atomic clocks ने जिन levels को पहले ही rule out कर दिया है, उनसे भी सूक्ष्म बदलाव देखने के लिए ज्यादा precision की जरूरत है
  • संभावित बदलाव 10 ट्रिलियन में 1 के स्तर का हो सकता है, इसलिए Ye इसे “कई साल बाद” की बात मानते हैं
  • Cold War के पुराने byproduct से मिला thorium-229 ब्रह्मांड को थामे रखने वाली अभी तक अनखोजी, गहरी physics के evidence खोजने का tool बन सकता है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-09-06
Hacker News टिप्पणियां

  • इससे न्यूक्लियर क्लॉक बन भी जाए और Allan drift इतना कम हो जाए कि वह उपयोगी स्तर पर आ जाए, तब भी कोई meaningful अंतर मापने और कुछ समझने लायक डेटा जुटाने के लिए शायद कई सालों तक observation करनी पड़ेगी
    उस दौरान किसी वस्तु को सिर्फ 1cm ऊपर-नीचे ले जाने के असर, चंद्रमा की स्थिति, और बाकी तमाम noise sources को cancel करना होगा
    आखिरकार वे यह कर लेंगे, इसमें कोई शक नहीं, और बाद में पूरी प्रक्रिया सुनना अद्भुत होगा
    इंतज़ार के दौरान देखने लायक सामग्री के तौर पर, मुझे chip-scale atomic clocks कैसे काम करती हैं, इसका सबसे साफ़ explanation वाला YouTube conference recording मिला: https://www.youtube.com/watch?v=wHYvS7MtBok
    किसी दिन chip-scale optical lattice clocks की भी उम्मीद है

    • क्या इसे LIGO/Virgo जैसी configuration में नहीं किया जा सकता? समान या मिलते-जुलते hardware पर कई experiments साथ-साथ चलाए जाएं, तो ऊपर बताई गई तरह का noise काफी आसानी से हटाया जा सकता है
      ऊपर से इसकी deployment cost interferometer hardware से काफी कम लगती है, इसलिए दुनिया भर में पर्याप्त संख्या में replicas लगाकर local noise sources को भी cancel किया जा सकता है
    • अगर बात यह है कि gravity जितनी stronger होगी, समय उतना धीमे बहेगा, तो एक measurement के दौरान अगर पूरा experimental setup उसी gravitational field में है, तो यह बड़ी समस्या नहीं लगती

  • “कई atomic nuclei में मिलते-जुलते spin transitions होते हैं, लेकिन thorium-229 में ही यह cancellation लगभग perfect है” वाले हिस्से और “physical constants असल में constants नहीं भी हो सकते” वाले हिस्से को साथ देखें तो दिलचस्प लगता है
    अगर physical constants समय के साथ बदलते हैं, तो thorium-229 कोई खास चीज़ नहीं, बल्कि शायद इस समय electric repulsion और strong nuclear force के संयोग से balance में आया isotope हो सकता है
    1 अरब साल बाद कोई दूसरा element यह भूमिका निभा सकता है, और शायद हमारी किस्मत है कि हम ऐसे दौर में ज़िंदा हैं जब किसी मौजूदा element का एक isotope बिल्कुल fit बैठता है
    दोनों forces के बिल्कुल balance में आने का optimal समय या जगह पहले आ चुकी हो सकती है या आगे आ सकती है, और वह constants में बदलाव को precision से मापने के लिए ideal हो सकती है। जैसे solar eclipse gravity से light के bending को verify करने का अच्छा मौका था

    • मैं physicist नहीं हूं, बस interested layperson के तौर पर कह रहा हूं: मेरी समझ है कि असली researchers speed of light या ℏ जैसी कई values को 1 बनाने के लिए unit system चुनते हैं
      फिर भी fine-structure constant जैसी संख्याएं हैं जिन्हें दूसरी values से derive करना मुश्किल या असंभव लगता है। popular science में जो explanation मिला वह anthropic principle है—कि वे values ऐसी ही होनी चाहिए ताकि कोई वह सवाल पूछ सके
      असली scientists इसे कैसे देखते हैं, यह मैं ठीक से नहीं जानता
    • speed of light हमेशा, हर जगह, समान ही observe होगी। क्योंकि हम light से ही light की speed मापते हैं, और distances भी light या light जैसी विधियों से मापते हैं
      ordinary forces बनाने वाली electromagnetic interaction भी speed of light से बंधी है, और बाकी सब भी ऐसा ही है
      दूसरे constants बदल सकते हैं, लेकिन अगर locally observed speed of light बदल सकती है, तो यह बहुत हैरान करने वाली बात होगी
    • यहां मान लिया गया है कि बदलाव monotonic linear change है, जबकि असल में यह periodic हो सकता है या discrete values के बीच jump कर सकता है

  • अगर बात यह है कि speed of light या gravitational constant जैसी संख्याएं universe के काम करने का तरीका तय करती हैं, लेकिन असल में constants नहीं भी हो सकतीं, तो non-physicist के नजरिए से gravity हमेशा ऐसी force जैसी लगी है जो बदल सकती है
    तो क्या यह missing dark matter problem, या लाखों साल पहले पृथ्वी के कई जीवों के ज्यादा बड़े होने की वजह के लिए alternative explanation हो सकता है? जाहिर है, physics background कम होने के कारण दोनों phenomena को साथ समझाने की कोशिश में विरोधाभास भी हो सकता है

  • लेख में constants 26 बताए गए हैं, लेकिन https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_physical_constants देखें तो अधिक लगते हैं
    और fine-structure constant जैसे ratio वाले constants में, अगर सचमुच बदलाव हो लेकिन ratio वही रहे, तो शायद उसे detect नहीं किया जा सकेगा। यह कुछ वैसा ही है जैसे π भी ratio है और वैसा ही बना रहता है

    • यहां बात fundamental constants 26 की हो रही है, यानी वे values जिन्हें theory भर से तय नहीं किया जा सकता, जिन्हें experiment से मापना पड़ता है, और जिनसे दूसरे constants को express किया जा सकता है
      इसके अलावा कोई खास 26 constants fixed भी नहीं हैं। c के बजाय 1/c को constant मानना भी उतना ही valid है, और किसी भी equation को c के बजाय 1/c इस्तेमाल करने के लिए बदला जा सकता है
      ratios के मामले में, वही ratio सचमुच constant है या नहीं—यही तो verify करना है

  • constants को measure करने के लिए कुछ ऐसा चाहिए जो constant हो, लेकिन अगर उससे compare करने के लिए कोई constant न हो तो कौन-सी चीज़ constant है यह पता नहीं चल सकता—यह बात मुझे हमेशा logical flaw जैसी लगती है
    आखिर हम बस यह मान सकते हैं कि कुछ constant है, और असल में शायद वह सिर्फ constant दिखता है
    physicist Julian Barbour का time से जुड़ा काम पढ़ें तो काफी चौंकाने वाली insight मिल सकती है। उनका नजरिया है: “time बदलाव से पैदा होता है”: https://www.youtube.com/watch?v=GoTeGW2csPk

    • बदलती हुई किसी चीज़ से दूसरी चीज़ मापना भी ठीक है। उदाहरण के लिए, मान लें आप aluminum का coefficient of thermal expansion जानना चाहते हैं, और steel ruler से aluminum block मापते हैं
      temperature बदलने पर दोनों का size बदलता है, लेकिन कई temperatures पर दोनों को मापें तो दोनों thermal expansion coefficients का ratio निकाला जा सकता है
      मज़ेदार बात यह है कि अगर आप mercury thermometer इस्तेमाल कर रहे हैं, तो असल में आप सब कुछ mercury के coefficient of thermal expansion के relative ही माप रहे हैं
    • जिन values को हम constants मानते हैं, उनमें से कुछ के dimensionless ratios को measure करके compare किया जा सकता है कि वे अभी यहां और बहुत पहले की दूरस्थ galaxies में समान हैं या नहीं: https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensionless_physical_constan...

  • अगर मूलभूत constants हमेशा सच नहीं हैं, तो दूसरी galaxies का matter हमारी आकाशगंगा के matter से अलग तरह से behave करेगा। मैं इस बात पर कभी-कभी debate करता हूं, लेकिन दूसरे लोग लगातार कहते हैं कि wavelengths एक जैसी हैं, इसलिए बाकी सब भी एक जैसा होना चाहिए

    • यह सवाल शायद इस तरह पूछना बेहतर होगा: “मौजूदा observations से टकराए बिना physics के laws में बड़े पैमाने पर spatial variation कितनी संभव है?”
      याददाश्त के हिसाब से इस पर research हुई है, लेकिन अभी तुरंत references नहीं मिल रहे
    • universe के बड़े scales पर हमारे laws dark matter और dark energy नाम की mathematical inventions की मदद लेते हैं
      तो क्या सच में dark matter और dark energy हैं, या universe के laws को लेकर हमारी समझ अधूरी है?
    • अगर मूलभूत constants constants नहीं हैं, तो हम यह उम्मीद क्यों नहीं करते कि वे इसी galaxy के अंदर भी बदलेंगे? “दूसरी galaxy” को बीच में लाना falsifiability से बचने का तरीका लगता है, इसलिए suspicious है
    • “wavelengths एक जैसी हैं” का क्या मतलब है, समझ नहीं आता। और क्या हमने दूसरी galaxies में comparable wavelengths कभी measure की हैं?
    • जरूरी नहीं। हम space और time में distance measure करने के लिए redshift का इस्तेमाल करते हैं
      अगर अतीत में मूलभूत constants अलग थे, तो यह सिर्फ हमारे द्वारा measure की जाने वाली distances बदलने के रूप में भी दिख सकता है

  • अगर मूलभूत constants बदल सकते हैं, तो लगता है कि यह energy conservation और thermodynamics के second law का violation होगा
    लगता है किसी ने कहा था, “अगर आपकी theory thermodynamics के second law का violation करती है, तो कोई उम्मीद नहीं है”; क्या मैं कुछ miss कर रहा हूं?

    • energy conservation उतना sacrosanct नहीं है जितना बहुत लोग, जिनमें मैं भी शामिल हूं, सोचते हैं। उदाहरण के लिए यह post देख सकते हैं: https://www.preposterousuniverse.com/blog/2010/02/22/energy-...
    • thermodynamics, definition के हिसाब से, केवल equilibrium processes का अध्ययन करता है। thermodynamics के laws को बहुत ज्यादा व्यापक रूप से apply करना एक common misunderstanding है, और physics को university में पढ़े लोगों में भी अक्सर दिखता है
      क्योंकि बहुत कम लोग physical kinetics, जैसे Landau की 10-volume वाली level तक, पढ़ते हैं
    • energy conservation, यानी thermodynamics के first law, का violation intrinsically second law का भी violation नहीं होता
      यह imagine करना मुश्किल नहीं कि बंद system की energy बदल जाए, लेकिन total entropy घटने लायक न हो। उदाहरण के लिए, बंद system की energy घटने का case ऐसा हो सकता है
    • फिलहाल सबसे अच्छा guess यह है कि सभी fields एक-दूसरे को affect कर सकते हैं या सच में करते हैं, और इसके परिणामस्वरूप relative changes होते हैं
      कुछ चीजें बेहद constant दिख सकती हैं, लेकिन उन्हें इतने absurdly छोटे या बड़े time scales पर measure करना पड़ता है कि practically लगभग measure करना असंभव हो सकता है

  • gravitational constant G सच में constant है या नहीं, यह अभी भी कुछ हद तक open question है
    इसके अलावा, atomic time इस्तेमाल करते हैं या dynamical time, इसके आधार पर results बदलते हैं। dynamical time इस्तेमाल करें तो lunar laser reflectors से कोई change measure नहीं होता

    • क्या फिर से बता सकते हैं कि G की dimension क्या थी?

  • शायद यह बेवकूफी भरा सवाल हो, लेकिन सबसे precise clock की accuracy कैसे judge की जाती है? क्या compare करने के लिए उससे ज्यादा accurate कुछ होता ही नहीं?

  • शायद आप one-electron hypothesis की बात करना चाह रहे थे। positron का Feynman diagram time में पीछे जाने वाले electron जैसा दिखता है, इसलिए यह एक मजेदार idea है
    इसलिए imagine किया जा सकता है कि सिर्फ एक electron time में आगे-पीछे उछलता है और entangled worldline बनाता है, और कभी-कभी हम उसे positron के रूप में observe करते हैं
    photon का antiphoton नहीं होता, इसलिए यह तरीका सही नहीं है
    वैसे भी, यह Feynman की बनाई हुई “वाह!” वाली moments देने वाला मजेदार विचार है, लेकिन लगता नहीं कि इसे serious theory माना जाता है

    • positron सिर्फ time-reversed electron जैसा दिखता भर नहीं है, और यह बात Feynman diagrams तक सीमित भी नहीं है
      experiments और best theory दोनों ही बताते हैं कि वे particles सचमुच identical हैं, बस time variable पर minus sign लगा होता है
      और यह photons पर भी लागू होता है। antiphoton मौजूद है, और वह खुद photon ही है। photon time reversal के प्रति symmetric particle है
    • जिस version को मैं याद करता हूं, उसमें John Wheeler ने Feynman से कहा था कि “सभी electrons एक-दूसरे जैसे इसलिए हैं क्योंकि electron सिर्फ एक है, और जब वह time में पीछे जाता है तो हम उसे positron के रूप में पहचानते हैं”
      Feynman ने तुरंत इस idea को खारिज कर दिया, यह बताते हुए कि positrons से ज्यादा electrons हैं