Waarom nucleaire klokken de toekomst zijn — en waarom je dat moet interesseren

Laat me even bekennen: ik ben al jaren gefascineerd door atoomklokken. Deze instrumenten zijn werkelijk verbijsterend. De beste exemplaren raken in dertig miljard jaar geen enkele seconde kwijt. Dat is langer dan het heelal oud is!

Maar vorige week gebeurde er iets dat atoomklokken ineens laat lijkt als zonnewijzers.

Twee onafhankelijke onderzoeksgroepen — de TU Wien uit Oostenrijk, samen met NIST en JILA, plus een team uit China — hebben een werkende nucleaire klok gebouwd. Geen prototypes die "technisch tikken" maar verder niets voorstellen. Echte klokken.

Elektronen versus atoomkern

Hoe werken deze dingen eigenlijk?

Gewone atoomklokken meten hoe elektronen tussen energieniveaus springen. Tel de sprongetjes, en je hebt je tijdseenheid. Maar elektronen zijn nogal onrustig. Ze reageren op elektromagnetische velden, temperatuurschommelingen, van alles.

Nucleaire klokken pakken het anders aan. Die gebruiken de kern van een thorium-229 atoom. De kern is lekker beschut, weggeborgen in het hart van het atoom. Minder last van buitenwereld betekent stabielere klok.

Stel je voor dat je een race wilt timen. In een storm staand? Of in een perfect gecontroleerde ruimte? Precies.

Het thorium-229 raadsel

Het duurde ruim twintig jaar om dit probleem te kraken. De meeste atoomkernen vragen zoveel energie om van staat te veranderen dat geen enkele laser daarbij kan. Thorium-229 is de uitzondering. Die heeft twee kerntoestanden die bijna dezelfde energie hebben. Daardoor kun je de overgang forceren met precies de juiste laserfrequentie.

Maar hoe houd je die laser stabiel? De teams losten dat op met een feedback-systeem. Een slimme lus die voortdurend corrigeert en bijstuurt. Alsof een piepklein robotje je klok constant staat te finetunen.

Waarom zou jij hier wakker van liggen?

Hier wordt het spannend.

Omdat nucleaire klokken nauwelijks last hebben van externe verstoringen, kunnen ze uiterst subtiele variaties meten in fundamentele natuurconstanten — de getallen die bepalen hoe de sterke kernkracht werkt.

En dat is belangrijk, want zulke variaties kunnen worden veroorzaakt door donkere materie. Donkere materie, weet je nog? Het spul waar ongeveer 27 procent van het heelal uit bestaat, maar dat we nog nooit direct hebben gezien.

Nucleaire klokken zouden wel eens onze beste kans kunnen zijn om dat mysterie te ontrafelen.

Over twee à drie jaar verwachten de onderzoekers dat deze klokken de beste atoomklokken voorbijstreven. Thorsten Schumm van de TU Wien maakte een vergelijking die ik geweldig vind: "De eerste auto's waren niet sneller dan koetsen. Het ging om het introduceren van een nieuw concept."

En dat is precies wat hier gebeurt. Een nieuw concept dat kan revolutioneren hoe we tijd meten, hoe we naar de fundamentele aard van de werkelijkheid kijken, en misschien — heel misschien — ons helpt begrijpen waar het heelal eigenlijk van gemaakt is.

Vind je dat niet ongelooflijk?