Pada tahun 2024, TU Wien menghadirkan jam nuklir pertama di dunia. Kini telah dibuktikan bahwa teknologi tersebut juga dapat digunakan untuk menyelidiki pertanyaan-pertanyaan yang belum terselesaikan dalam fisika fundamental.
Inti atom torium dapat digunakan untuk pengukuran presisi yang sangat spesifik. Hal ini telah diduga selama beberapa dekade, dan pencarian negara inti atom yang cocok telah dilakukan di seluruh dunia. Pada tahun 2024, tim dari TU Wien, dengan dukungan mitra internasional, mencapai terobosan yang menentukan: ditemukannya transisi nuklir thorium yang telah lama dibahas. Tak lama kemudian, terbukti bahwa thorium memang dapat digunakan untuk membuat jam nuklir berpresisi tinggi.
Sekarang keberhasilan besar berikutnya dalam penelitian presisi tinggi pada inti torium telah tercapai: ketika inti torium berubah di antara keadaan yang berbeda, bentuk elipsnya sedikit berubah. Hal ini juga mengubah distribusi proton dalam inti, yang pada gilirannya mengubah medan listriknya. Hal ini dapat diukur dengan sangat tepat sehingga memungkinkan penyelidikan yang lebih baik daripada sebelumnya terhadap konstanta struktur halus, salah satu konstanta alami terpenting dalam fisika. Hal ini sekarang memungkinkan untuk menyelidiki pertanyaan tentang seberapa konstan sebenarnya konstanta fundamental alam.
Kekuatan gaya elektromagnetik
“Sejauh yang kami tahu, hanya ada empat gaya fundamental di alam: gravitasi, elektromagnetisme, serta gaya nuklir kuat dan lemah,” kata Prof. Thorsten Schumm dari Institut Fisika Atom dan Subatomik di TU Wien. “Setiap gaya fundamental diberi konstanta fundamental yang menggambarkan kekuatannya dibandingkan dengan gaya lainnya.”
Konstanta struktur halus, dengan nilai kira-kira 1/137, menentukan kekuatan interaksi elektromagnetik. Jika berbeda, partikel bermuatan akan berperilaku berbeda, ikatan kimia akan berfungsi berbeda, dan cahaya serta materi akan berinteraksi dengan cara berbeda.
“Biasanya, kita berasumsi bahwa konstanta tersebut bersifat universal – bahwa konstanta tersebut memiliki nilai yang sama sepanjang waktu dan di mana pun di alam semesta,” kata Thorsten Schumm. “Namun, ada juga teori yang memperkirakan bahwa konstanta struktur halus berubah secara perlahan dalam jumlah kecil atau bahkan berosilasi secara berkala. Hal ini akan merevolusi pemahaman kita tentang fisika – namun untuk mengetahuinya, kita harus mampu mengukur perubahan dalam konstanta struktur halus dengan sangat presisi. Jam atom thorium kami sekarang memungkinkan hal ini untuk pertama kalinya.”
Keadaan inti atom yang berbeda – medan listrik yang berbeda
Inti atom torium dapat mempunyai dua keadaan yang berbeda – keadaan dasar dengan energi yang sedikit dan keadaan tereksitasi dengan energi yang sedikit lebih tinggi. Perbedaan antara kedua nilai energi ini dapat diukur dengan akurasi yang sangat tinggi, yang juga menjadi dasar jam nuklir.
“Ketika inti atom berubah keadaannya, bentuknya juga berubah, begitu pula medan listriknya,” jelas Thorsten Schumm. “Khususnya, komponen kuadrupol medan berubah – ini adalah angka yang menjelaskan apakah bentuk medan listrik lebih memanjang, seperti cerutu, atau lebih tergencet, seperti miju-miju.” Seberapa besar perubahan nilai ini bergantung pada konstanta struktur halus. Dengan mengamati transisi torium ini secara tepat, kita dapat mengukur apakah konstanta struktur halus benar-benar konstan atau sedikit berbeda.
Kristal yang mengandung thorium untuk percobaan diproduksi di TU Wien (Wina), dan pengukuran spektroskopi laser kemudian dilakukan di Boulder, Colorado. “Kami mampu menunjukkan bahwa metode kami dapat mendeteksi variasi konstanta struktur halus tiga kali lipat lebih tepat dibandingkan metode sebelumnya, yaitu dengan faktor enam ribu,” kata Thorsten Schumm. “Ini menunjukkan bahwa transisi thorium yang kami temukan tidak hanya dapat digunakan untuk membangun jam presisi tinggi generasi baru, tetapi juga memungkinkan penelitian fisika baru yang sebelumnya tidak dapat diakses secara eksperimental.”
