Jam inti pertama mulai menguji perubahan konstanta fundamental

• Tim peneliti JILA mengukur transisi antara dua keadaan inti atom thorium-229 dengan presisi satu per triliun, yang pada praktiknya menuntaskan pencarian frekuensi laser untuk transisi jam inti yang telah berlangsung selama 50 tahun
• thorium-229 adalah kasus unik di mana perubahan pada gaya elektromagnetik dan gaya nuklir kuat di dalam inti atom hampir saling meniadakan, sehingga transisi inti dapat dipicu dengan energi kecil
• Setelah hasil dari tim Eropa pada April 2024 dan grup UCLA pada Juli, kini muncul hasil dari JILA, dan pengukuran ini jutaan kali lebih presisi dibanding pengamatan sebelumnya
• Transisi jam inti jauh lebih sensitif terhadap perubahan konstanta fundamental dibanding keadaan atom, tetapi kemungkinan perubahannya bisa berada pada tingkat satu per sepuluh triliun, sehingga peningkatan presisi lebih lanjut masih diperlukan
• Jam inti thorium-229 dapat menjadi alat baru untuk menguji secara eksperimen perubahan hukum fisika seiring waktu yang diprediksi oleh model seperti axion materi gelap atau teori string

---

Pengukuran transisi jam inti thorium-229 oleh JILA

• Pada suatu malam di Mei 2024, mahasiswa pascasarjana JILA Chuankun Zhang mengonfirmasi sinyal transisi jam inti saat inti atom thorium-229 berpindah di antara dua keadaan
• Setelah melalui berbagai prosedur verifikasi, tim peneliti menilai sinyal ini sebagai transisi inti thorium-229 yang nyata
• Hasil pengukuran dari grup riset Jun Ye dilaporkan di Nature pada 4 September 2024
• Ini adalah hasil ketiga dari pengamatan transisi thorium-229 yang diumumkan dalam 4 bulan terakhir, setelah hasil dari peneliti di Jerman dan California
• Pengukuran kali ini jutaan kali lebih presisi daripada hasil-hasil sebelumnya, sehingga menandai berakhirnya proses panjang pencarian frekuensi laser yang tepat untuk memicu transisi jam inti

Mengapa thorium-229 istimewa

• Jam atom biasa memanfaatkan proses ketika elektron menyerap foton, masuk ke keadaan tereksitasi, lalu kembali ke keadaan dasar
  • Panjang gelombang yang cocok dengan transisi atom cesium saat ini mendefinisikan standar internasional untuk 1 detik
  • 1 detik didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan bagi 9.192.631.770 gelombang dengan panjang gelombang tersebut untuk melewati satu titik di ruang
• Inti atom juga memiliki keadaan dasar dan keadaan tereksitasi, tetapi proton dan neutron terikat jauh lebih kuat daripada elektron, sehingga biasanya dibutuhkan foton berenergi jauh lebih tinggi seperti sinar gamma
• Inti atom thorium-229 merupakan pengecualian karena energi yang dibutuhkan untuk transisi inti sangat rendah
  • Gaya elektromagnetik antar proton di dalam inti cenderung merobek inti, sementara gaya nuklir kuat mengikat inti
  • Pada perubahan spin neutron terluar thorium-229, perubahan dari kedua gaya ini hampir saling meniadakan secara tepat, sehingga selisih energi antara keadaan tereksitasi dan keadaan dasar menjadi sangat kecil
  • Transisi ini dimungkinkan dengan energi sekitar 10.000 kali lebih kecil dibanding eksitasi inti pada umumnya

Material eksperimen yang berasal dari produk sampingan Perang Dingin

• thorium-229 berasal dari peluruhan uranium-233, produk sampingan dari riset senjata nuklir era Perang Dingin
• Amerika Serikat memproduksi sekitar 2 ton uranium-233 dari 1950-an hingga 1970-an; material ini pernah dipertimbangkan sebagai bahan fisi tingkat senjata sebagai alternatif untuk uranium-235 dan plutonium-239
• Pada 1976, Larry Kroger dan Charles Reich dari Idaho National Laboratory saat meneliti radiasi dari limbah uranium-233 menemukan bukti tidak langsung bahwa thorium-229 memiliki keadaan tereksitasi inti dengan energi jauh lebih rendah dari perkiraan
• Pada 1990, Reich dan rekan-rekannya melalui pengukuran ulang yang lebih presisi memastikan bahwa energi keadaan tereksitasi ini lebih dari 10 kali lebih kecil daripada yang semula diperkirakan
• Transisi inti biasanya memerlukan ratusan ribu hingga jutaan elektronvolt, tetapi transisi thorium-229 berada di bawah 10 elektronvolt
  • Rentang energi ini adalah rentang yang dapat disalurkan laser yang ada secara stabil dan presisi
  • Eric Hudson mengatakan bahwa dalam seluruh peta inti atom, hanya thorium-229 yang merupakan kasus seperti ini

Gagasan jam inti dan pengujian konstanta fundamental

• Pada 2003, Ekkehard Peik dan Christian Tamm mengusulkan jam inti berbasis thorium-229
• Karena inti atom terlindung oleh awan elektron dari dunia luar, jam berbasis thorium-229 dapat lebih tidak sensitif terhadap gangguan latar belakang yang saat itu mengganggu jam atom terbaik
• Victor Flambaum menunjukkan bahwa jam yang sensitif sekaligus terisolasi seperti ini dapat dipakai untuk menguji ketetapan alam itu sendiri
• Persamaan fisika memuat sekitar 26 konstanta fundamental seperti kecepatan cahaya dan konstanta gravitasi
• Teori seperti teori string memprediksi bahwa angka-angka ini dapat berubah sangat sedikit seiring waktu
• Salah satu model populer materi gelap berpendapat bahwa jika materi gelap tersusun dari partikel bergelombang bernama axion, maka perubahan kerapatan axion di berbagai lokasi dapat membuat kekuatan sebagian gaya naik turun
• Perubahan kekuatan gaya dapat mengubah energi keadaan dalam inti atom
  • Energi keadaan inti atom ditentukan melalui proses penjumlahan dan pengurangan antara gaya elektromagnetik besar dan gaya nuklir kuat yang bekerja pada proton dan neutron
  • Karena selisih energinya sangat kecil, transisi thorium-229 dapat memperlihatkan perubahan kecil pada gaya secara sangat menonjol

Persaingan pencarian frekuensi laser

• Pada awalnya, perkiraan energi yang dibutuhkan untuk transisi jam inti memiliki presisi 1.000 kali lebih rendah daripada panjang gelombang laser yang sedang dicari para peneliti
• Para peneliti harus menyingkirkan ribuan panjang gelombang laser satu per satu, dan metode menjebak beberapa atom thorium-229 lalu menembakinya dengan laser sambil menunggu foton memang tak terhindarkan sangat memakan waktu
• Mengikuti pendekatan Eric Hudson, beberapa grup mulai membuat senyawa kristal padat yang mengandung thorium di dalamnya
  • Kristal dapat memuat bukan hanya beberapa atom, tetapi ribuan triliun atom
  • Dengan laser, banyak panjang gelombang dapat disingkirkan dengan cepat
• Tim CERN menciptakan terobosan pada 2023 dengan menghasilkan thorium-229 tereksitasi lewat peluruhan radioaktif, lalu mengukur langsung sinar ultraviolet redup dari transisi jam inti dalam lingkungan yang lebih tenang
• Hasil CERN sangat mempersempit ruang pencarian, dan pada April 2024 tim Eropa pertama kali melaporkan hasil penyelidikan keadaan tersebut dengan laser
• Grup Hudson di UCLA juga menerbitkan hasil temuannya di Physical Review Letters pada Juli 2024
• Grup Jun Ye di JILA memperoleh salah satu kristal buatan Thorsten Schumm dan telah mengembangkan laser ultraviolet khusus untuk menjadikan thorium-229 sebagai jam inti
  • Laser ini digunakan untuk menguji beberapa panjang gelombang sekaligus dalam mencari transisi
  • Hasil JILA menutup tiga penemuan paralel tersebut dengan pengukuran energi yang paling presisi

Mengapa presisi yang lebih tinggi masih dibutuhkan

• Energi keadaan inti thorium jauh lebih sensitif terhadap perubahan konstanta fundamental dibanding keadaan atom mana pun
• Saat ini grup Ye dapat mengukur transisi jam inti dengan presisi satu per triliun
• Untuk melihat perubahan yang lebih halus daripada tingkat yang sudah dikesampingkan oleh jam atom yang ada, diperlukan presisi yang lebih tinggi
• Kemungkinan perubahan itu bisa berada pada tingkat satu per sepuluh triliun, dan Ye menilai ini sebagai sesuatu yang baru mungkin tercapai “beberapa tahun lagi”
• thorium-229, yang berasal dari produk sampingan lama era Perang Dingin, dapat menjadi alat untuk mencari bukti fisika yang lebih dalam dan belum ditemukan yang menopang alam semesta

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Kalaupun ini dipakai untuk membuat jam nuklir dan drift Allan-nya cukup rendah hingga berguna, rasanya tetap perlu observasi selama bertahun-tahun untuk mengumpulkan data yang cukup agar bisa mengukur perbedaan bermakna dan memahami sesuatu
  Selama itu, efek memindahkan benda naik-turun hanya 1 cm, posisi Bulan, dan segala macam sumber derau lain harus dikompensasi
  Saya tidak ragu pada akhirnya ini akan berhasil, dan rasanya akan menakjubkan saat nanti mendengar seluruh prosesnya
  Sambil menunggu, saya menemukan rekaman konferensi YouTube yang menjelaskan dengan paling jelas bagaimana jam atom skala chip bekerja: https://www.youtube.com/watch?v=wHYvS7MtBok
  Suatu hari nanti saya juga menantikan jam kisi optik skala chip

  • Tidak bisakah dibuat seperti konfigurasi LIGO/Virgo? Kalau beberapa eksperimen dijalankan sekaligus dengan perangkat keras yang sama atau mirip, sepertinya jenis derau yang disebutkan di atas bisa dihilangkan dengan cukup mudah
    Selain itu, biaya penyebarannya tampak jauh lebih rendah daripada perangkat keras interferometer, jadi sepertinya bisa memasang cukup banyak perangkat replika di seluruh dunia untuk mengompensasi sumber derau lokal
  • Kalau maksudnya waktu berjalan lebih lambat saat gravitasi lebih kuat, selama seluruh perangkat eksperimen berada dalam medan gravitasi yang sama selama satu pengukuran, sepertinya itu bukan masalah besar

• Menarik jika bagian “banyak inti atom memiliki transisi spin serupa, tetapi hanya pada torium-229 kompensasi ini hampir sempurna” dilihat bersama bagian “konstanta fisika mungkin sebenarnya bukan konstanta”
  Jika konstanta fisika berubah seiring waktu, mungkin torium-229 bukanlah sesuatu yang istimewa, melainkan hanya isotop yang pada saat ini kebetulan memiliki keseimbangan antara gaya tolak listrik dan gaya nuklir kuat
  Satu miliar tahun lagi, mungkin unsur lain yang akan berperan seperti itu, dan mungkin kita beruntung hidup pada era ketika salah satu isotop dari unsur yang ada tepat cocok
  Titik waktu atau tempat optimal ketika kedua gaya itu benar-benar seimbang mungkin sudah pernah ada atau akan datang, dan saat itu bisa ideal untuk mengukur perubahan konstanta secara presisi. Seperti gerhana matahari yang menjadi kesempatan bagus untuk menguji pembelokan cahaya oleh gravitasi

  • Dari sudut pandang orang awam yang bukan fisikawan tetapi tertarik, setahu saya para peneliti sungguhan memilih sistem satuan sehingga banyak nilai seperti kecepatan cahaya atau ℏ menjadi 1
    Namun tetap ada angka seperti konstanta struktur halus yang tampaknya sulit atau mustahil diturunkan dari nilai lain. Penjelasan yang saya temui dalam sains populer adalah prinsip antropik, semacam bahwa nilainya memang harus seperti itu agar ada seseorang yang bisa mengajukan pertanyaan tersebut
    Saya tidak begitu tahu bagaimana ilmuwan sungguhan memandangnya
  • Kecepatan cahaya akan selalu teramati sama kapan pun dan di mana pun. Sebab kita mengukur kecepatan cahaya dengan cahaya, dan mengukur jarak juga dengan cahaya atau cara yang setara dengan cahaya
    Interaksi elektromagnetik yang menghasilkan gaya biasa juga terikat pada kecepatan cahaya, begitu pula semua hal lainnya
    Konstanta lain mungkin bisa berubah, tetapi akan sangat mengejutkan jika kecepatan cahaya yang diamati secara lokal bisa berubah
  • Diasumsikan bahwa perubahannya adalah perubahan linear monoton, padahal dalam kenyataannya bisa saja periodik atau melompat di antara nilai diskret

• Jika maksudnya angka seperti kecepatan cahaya atau konstanta gravitasi menentukan cara alam semesta bekerja tetapi mungkin sebenarnya bukan konstanta, sebagai nonfisikawan saya selalu merasa gravitasi seperti gaya yang bisa berubah
  Kalau begitu, mungkin itu bisa menjadi penjelasan alternatif untuk masalah materi gelap yang hilang, atau mengapa banyak makhluk hidup di Bumi jutaan tahun lalu berukuran lebih besar. Tentu saja, karena latar belakang fisika saya kurang, upaya menjelaskan kedua fenomena itu sekaligus bisa saja menimbulkan kontradiksi

• Artikel itu mengatakan ada 26 konstanta, tetapi kalau melihat https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_physical_constants, tampaknya jumlahnya lebih banyak
  Dan untuk konstanta yang berupa rasio seperti konstanta struktur halus, meskipun sebenarnya berubah, sepertinya tidak akan bisa dideteksi jika rasionya tetap sama. Mirip dengan π yang juga rasio sehingga tetap sama

  • Yang dimaksud di sini adalah 26 konstanta fundamental, yaitu nilai-nilai yang tidak bisa ditentukan hanya dari teori, harus diukur lewat eksperimen, dan konstanta lain dapat dinyatakan dengan nilai-nilai tersebut
    Selain itu, 26 konstanta tertentu itu juga tidak tetap. Menggunakan 1/c sebagai konstanta alih-alih c sama-sama valid, dan persamaan apa pun bisa diubah agar memakai 1/c alih-alih c
    Untuk rasio, justru apakah rasio itu benar-benar konstan adalah hal yang hendak diuji

• Untuk mengukur konstanta, kita memerlukan sesuatu yang konstan, tetapi jika tidak ada konstanta pembanding, kita tidak bisa tahu mana yang konstan; ini selalu terasa seperti kekeliruan logika
  Pada akhirnya kita hanya bisa mengasumsikan sesuatu itu tetap, dan mungkin sebenarnya ia hanya tampak tetap
  Membaca karya fisikawan Julian Barbour tentang waktu bisa memberi wawasan yang cukup mengejutkan. Pandangannya adalah “waktu muncul dari perubahan”: https://www.youtube.com/watch?v=GoTeGW2csPk

  • Tidak masalah mengukur sesuatu dengan sesuatu lain yang berubah. Misalnya, kita ingin mengetahui koefisien ekspansi termal aluminium, dan mengukur blok aluminium dengan penggaris baja
    Jika suhu diubah, keduanya berubah ukuran, tetapi dengan mengukur keduanya pada beberapa suhu, kita bisa memperoleh rasio kedua koefisien ekspansi termal itu
    Menariknya, jika menggunakan termometer raksa, pada dasarnya kita mengukur semuanya secara relatif terhadap koefisien ekspansi termal raksa
  • Kita bisa mengukur rasio tak berdimensi dari sebagian nilai yang kita anggap konstanta, lalu membandingkan apakah nilainya sama di sini sekarang dan di galaksi jauh pada masa lampau: https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensionless_physical_constan...

• Jika konstanta fundamental tidak selalu benar, materi di galaksi lain akan berperilaku berbeda dari materi di Bima Sakti. Kadang saya berdebat soal ini, tetapi orang lain terus mengatakan bahwa karena panjang gelombangnya sama, yang lain juga pasti sama

  • Pertanyaan ini tampaknya lebih baik diajukan sebagai: “Seberapa besar kemungkinan variasi spasial berskala besar dalam hukum fisika dalam batas yang tidak bertentangan dengan observasi yang ada?”
    Seingat saya ini pernah diteliti, tetapi saat ini saya tidak bisa menemukan referensinya
  • Pada skala besar alam semesta, hukum kita dibantu oleh ciptaan matematis bernama materi gelap dan energi gelap
    Jadi, apakah materi gelap dan energi gelap benar-benar ada, atau apakah pemahaman kita tentang hukum alam semesta belum lengkap?
  • Jika konstanta fundamental bukan konstanta, mengapa kita tidak memperkirakan bahwa ia juga berubah di dalam galaksi ini? Membawa-bawa “galaksi lain” terasa mencurigakan, seperti cara untuk menghindari falsifiabilitas
  • Saya tidak tahu apa maksud “panjang gelombangnya sama”. Dan apakah kita pernah mengukur panjang gelombang yang dapat dibandingkan di galaksi lain?
  • Belum tentu. Kita menggunakan pergeseran merah untuk mengukur jarak dalam ruang dan waktu
    Jika konstanta fundamental berbeda di masa lalu, itu bisa saja tampak hanya sebagai perubahan pada jarak yang kita ukur

• Jika konstanta fundamental bisa berubah, rasanya itu melanggar kekekalan energi dan hukum kedua termodinamika
  Sepertinya pernah ada yang berkata, “jika teori Anda melanggar hukum kedua termodinamika, maka tidak ada harapan”; apakah ada yang saya lewatkan?

  • Kekekalan energi tidak sesakral yang dipikirkan banyak orang, termasuk saya. Misalnya, lihat tulisan ini: https://www.preposterousuniverse.com/blog/2010/02/22/energy-...
  • Termodinamika, menurut definisinya, hanya mempelajari proses kesetimbangan. Menerapkan hukum termodinamika terlalu luas adalah kesalahpahaman umum, dan sering terlihat bahkan di kalangan orang yang pernah belajar fisika di universitas
    Ini karena tidak banyak orang yang belajar kinetika fisika, misalnya sampai setingkat 10 jilid Landau
  • Melanggar kekekalan energi, yaitu hukum pertama termodinamika, tidak secara inheren berarti juga melanggar hukum kedua
    Tidak sulit membayangkan situasi ketika energi sistem tertutup berubah, tetapi tidak sampai membuat entropi total berkurang. Misalnya, ini bisa terjadi ketika energi sistem tertutup berkurang
  • Tebakan terbaik untuk saat ini adalah bahwa semua medan dapat, atau memang, saling memengaruhi, dan akibatnya muncul perubahan relatif
    Beberapa hal bisa tampak luar biasa konstan, tetapi mungkin harus diukur pada skala waktu yang begitu absurd kecil atau besar sehingga secara praktis hampir mustahil diukur

• Apakah konstanta gravitasi G benar-benar konstan masih merupakan pertanyaan yang cukup terbuka
  Selain itu, hasilnya berbeda tergantung apakah memakai waktu atom atau waktu dinamis. Jika memakai waktu dinamis, reflektor laser bulan tidak mengukur adanya perubahan

  • Bisa ingatkan lagi apa dimensi G?

• Mungkin ini pertanyaan bodoh, tetapi bagaimana menilai akurasi jam yang paling presisi? Bukankah tidak ada sesuatu yang lebih akurat untuk dibandingkan?

• Mungkin yang dimaksud adalah hipotesis satu elektron. Ini ide yang menarik karena diagram Feynman untuk antielektron terlihat seperti elektron yang bergerak mundur dalam waktu
  Jadi kita bisa membayangkan hanya ada satu elektron yang memantul maju-mundur dalam waktu, membentuk garis dunia yang kusut, dan kadang kita mengamatinya sebagai antielektron
  Untuk foton tidak ada antifoton, jadi cara ini tidak cocok
  Bagaimanapun, ini pemikiran menarik yang memberi momen “wah!” seperti yang sering diciptakan Feynman, tetapi tampaknya tidak diterima sebagai teori serius

  • Positron bukan sekadar tampak seperti elektron yang waktunya dibalik, dan ini juga bukan hanya soal diagram Feynman
    Baik secara eksperimental maupun menurut teori terbaik, partikel-partikel itu benar-benar sama persis kecuali ada tanda minus pada variabel waktu
    Dan ini juga berlaku untuk foton. Antifoton ada, dan itu adalah foton itu sendiri. Foton adalah partikel yang simetris terhadap pembalikan waktu
  • Dalam versi yang saya ingat, John Wheeler berkata kepada Feynman bahwa “alasan semua elektron sama satu sama lain adalah karena hanya ada satu elektron, dan ketika ia bergerak mundur dalam waktu, kita mengenalinya sebagai positron”
    Feynman segera membantah ide itu dengan menunjukkan bahwa jumlah elektron lebih banyak daripada positron