Een tikje dichterbij de nucleaire superklok

Sinds de tijd van het slingeruurwerk dat werd uitgevonden door de Nederlander Christiaan Huygens is er heel wat veranderd in het meten van die tijd zelf. Inmiddels meten we de tijd met atoomklokken die zo precies zijn dat ze slechts een seconde afwijken in vijftien miljard jaar tijd. Minder dan een seconde sinds het begin van het universum! Al vanaf midden jaren vijftig is de atoomklok koning van het tijdmeten; wereldwijd zijn er ruim vierhonderd atoomklokken die samen de basis vormen voor de aardse standaardtijd.

Nu wordt er hard gewerkt aan een type klok die de prestaties van de atoomklok doet verbleken: de zogenoemde nucleaire klok. Deze meet de tijd aan de hand van trillingen in een extreem kleine atoomkern. Het bescheiden formaat van zo’n kern maakt hem volgens experts vrijwel immuun voor verstoringen van buitenaf.

Wetenschappers zijn al jaren naarstig op zoek naar het juiste nucleaire ‘veertje’ hiervoor: iets wat constant en altijd op dezelfde manier trilt. Zo’n veertje lijkt nu voor het eerst waargenomen in de vorm van een zogenoemde energie-overgang in een atoomkern. Bij zo’n overgang neemt de kern een beetje energie op en zendt deze even later – op een vast tijdstip – weer uit. Dat is meetbaar en kan functioneren al de ‘pendule’ van een superprecieze klok.

Al langer werd vermoed dat de kern van thorium-229 (een zogenoemde isotoop van thorium) over een perfect energie-overgang voor zo’n nucleaire klok beschikt. En het is wetenschappers van onder andere de Duitse Ludwig-Maximilians-Universität in München nu voor het eerst gelukt deze waar te nemen. De resultaten publiceerden zij eerder deze maand in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Trillen met een ijzeren regelmaat

De werking van een nucleaire klok lijkt in de basis op die van een atoomklok. Deze berust op het heen en weer springen van deeltjes tussen twee energieniveaus. In een atoom kan een energieniveau bijvoorbeeld gezien worden als een bepaalde baan die een elektron om de atoomkern heen maakt. Als een elektron naar een hogere baan (en dus energieniveau) gaat dan neemt hij energie op uit de omgeving, gaat hij naar een lagere baan dan zendt hij de overtollige energie weer uit in de vorm van licht.

In een atoomklok worden gelijksoortige atomen (vaak het metaal cesium) gevangen en beschenen met laserlicht met een specifieke frequentie. Met een paar ingenieuze trucjes is het mogelijk om dat laserlicht precies te laten ‘meetrillen’ met de elektronen in de cesiumatomen, die door de wetten van de quantummechanica met een ijzeren regelmaat trillen. Deze afgestemde laser is vervolgens de basis voor de tijdsregistratie van een atoomklok.

Ook een nucleaire klok maakt gebruik van een laser die afgestemd wordt op een trilling in een atoom. Alleen in dit geval niet van de elektronen om de kern, maar van de atoomkern zelf. Ook deze beschikt over de eerder genoemde energieovergangen. Bovendien is de kern honderdduizenden keren kleiner dan het hele atoom, en dat maakt hem zoals gezegd minder gevoelig voor verstoringen van buitenaf. Hoeveel preciezer zo’n nucleaire klok is, is overigens niet duidelijk.