L’orologio nucleare è la nuova frontiera della misurazione del tempo e promette di battere ogni record di precisione mai raggiunto finora. Per i fisici non si tratta semplicemente di sapere che ore sono. La questione è molto più sottile. Più un orologio è preciso, più diventa facile cogliere piccole anomalie nel comportamento dell’universo. Una deviazione che un comune orologio da taschino non noterebbe mai potrebbe invece rivelarsi decisiva quando si studiano i cambiamenti nelle costanti fondamentali della fisica oppure l’influenza di fenomeni ancora sconosciuti.
Per decenni il primato della precisione è appartenuto agli orologi atomici, che misurano le transizioni energetiche tra elettroni. Registrando la frequenza esatta con cui assorbono la luce, questi strumenti creano un riferimento estremamente stabile, una specie di metronomo naturale che non dipende da ingranaggi o cronometri tradizionali. Ogni oscillazione funziona come un tic dell’orologio. Il meccanismo è talmente affidabile che proprio una transizione atomica del cesio viene usata per definire ufficialmente quanto dura un secondo.
Perché costruire un orologio nucleare
Mentre gli orologi atomici si affermavano come standard mondiale, i fisici inseguivano un’idea ancora più ambiziosa. Stesso principio di fondo, ma invece di osservare gli elettroni si guardano le transizioni energetiche dentro il nucleo atomico. In teoria un orologio nucleare potrebbe superare quello atomico in precisione e stabilità perché il nucleo resta molto più isolato dall’ambiente esterno. Gli elettroni occupano la zona più periferica dell’atomo, mentre il nucleo è fino a 100.000 volte più piccolo. Quell’isolamento naturale potrebbe trasformare le oscillazioni nucleari in un riferimento temporale più stabile rispetto alle transizioni elettroniche degli strumenti attuali.
Il dibattito su come realizzare un orologio nucleare funzionante va avanti da almeno vent’anni. La proposta più promettente ruota attorno al torio-229, un isotopo interessante perché può essere eccitato con l’energia di un laser da laboratorio. La maggior parte delle transizioni nucleari richiede raggi gamma estremamente energetici, e questo le rende poco pratiche. Il problema era un altro. Nessuno conosceva con sufficiente precisione la frequenza esatta della transizione del torio-229. Senza quel dato, l’idea restava sulla carta.
Le cose ora stanno cambiando. Gruppi di ricerca in varie parti del mondo hanno avviato i primi prototipi funzionanti. Sono ancora lontani dal pieno potenziale, certo, ma hanno smesso di essere pura teoria e sono diventati strumenti reali su cui lavorare.
A giugno gruppi di ricerca di Cina ed Europa hanno pubblicato articoli scientifici, ancora in attesa di revisione tra pari, in cui descrivono come hanno misurato la transizione energetica del torio-229 usando laser sperimentali. Per la prima volta è stato messo in pratica un piano che la comunità scientifica inseguiva dai primi anni Duemila. Il passo avanti è arrivato grazie a nuove sorgenti laser capaci di operare nell’ultravioletto estremo, la regione dello spettro necessaria per interagire con il nucleo del torio-229.
I ricercatori hanno puntato questi fasci su campioni contenenti l’isotopo e sono riusciti a individuare la frequenza esatta a cui il nucleo assorbe energia e cambia stato. In pratica hanno sincronizzato un laser con il ritmo naturale del nucleo, requisito indispensabile per trasformare quella transizione nel riferimento temporale di un orologio.
Un rilevatore di nuova fisica
La sensibilità straordinaria di questi dispositivi li rende strumenti attraenti per mettere alla prova alcune delle teorie più ambiziose della fisica moderna. Se fenomeni come la materia oscura o variazioni nelle costanti fondamentali della natura esistono davvero, potrebbero manifestarsi come piccolissime alterazioni nella frequenza dell’orologio, impossibili da cogliere con strumenti meno precisi.
Il gruppo europeo, per esempio, ha usato il proprio prototipo per cercare segnali di materia oscura ultraleggera. Non ne ha trovata traccia, ma ha fissato nuovi limiti sperimentali e ha dimostrato che questa tecnologia può già competere con alcuni dei migliori orologi atomici in questo tipo di ricerche.
Gli orologi nucleari sono ancora lontani dal sostituire gli standard atomici che tengono sincronizzati sistemi di navigazione, telecomunicazioni e internet. Eppure, per la prima volta, i fisici dispongono di prototipi capaci di trasformare una transizione nucleare in un riferimento temporale reale. Forse non cambieranno il modo in cui guardiamo l’ora, ma potrebbero diventare tra gli strumenti più sensibili mai costruiti per esplorare i segreti dell’universo.