Wetenschappers hebben aangetoond dat nucleaire klokken op basis van thorium-229 gebruikt kunnen worden om afwijkingen in de Peccei-Quinn-oplossing voor het sterke CP-probleem te detecteren. Deze methode zou kunnen helpen bij het opsporen van zogenaamde 'imperfecte axionen' en donkere materie.
In een recent onderzoek, gepubliceerd op 21 oktober 2026 via arxiv.org, beschrijven onderzoekers waaronder Salvatore Bottaro en Alfredo Stanzione hoe nucleaire klokken kunnen dienen als precisie-instrumenten om fundamentele natuurkundige fenomenen te onderzoeken. De focus ligt hierbij op de interactie tussen axionen — hypothetische lichte deeltjes — en materie.
De rol van thorium-229
De kern van het onderzoek draait om het gebruik van $^{229}\text{Th}$ (thorium-229). In tegenstelling tot conventionele atoomklokken, die gebruikmaken van elektronenovergangen, maken nucleaire klokken gebruik van overgangen binnen de atoomkern zelf. Volgens berichtgeving op de coolscience.blog zijn onlangs de eerste klokken op basis van deze nucleaire transities gerealiseerd, wat het resultaat is van meer dan twintig jaar onderzoek. Deze klokken bieden een ongekende precisie die essentieel is voor het testen van de fundamentele natuurkunde.
Detectie van imperfecte axionen
Het team onderzoekt scenario's waarin axionen 'imperfect' zijn. Dit gebeurt wanneer er sprake is van expliciete schending van de Peccei-Quinn (PQ) symmetrie of wanneer er aanvullende CP-schendende interacties optreden. Volgens de publicatie op kunnen deze factoren het minimum van het axion-potentiaal verschuiven. Dit leidt tot CP-schendende koppelingen met materie, wat resulteert in een respons van de nucleaire klok die lineair is aan het axion-veld.
De onderzoekers hebben specifiek gekeken naar quark chromo-elektrische dipooloperatoren als representatie van deze imperfecte scenario's. Deze benadering blijft consistent met de bestaande beperkingen rondom elektrische dipoolmomenten.
Donkere materie en de 'vijfde kracht'
De toepassing van deze technologie strekt zich uit tot de zoektocht naar donkere materie. Wanneer axionen de donkere materie vormen, zou het lineaire signaal in de nucleaire klok oscilleren op de zogenaamde Compton-frequentie. Dit signaal kan in bepaalde gevallen dominanter zijn dan de kwadratische respons.
Zelfs in de afwezigheid van axion-donkere materie biedt de methode mogelijkheden. De aarde zelf kan namelijk een statisch axion-veld genereren. Dit stelt wetenschappers in staat om met nucleaire klokken te zoeken naar een 'vijfde kracht', een hypothetische kracht die buiten de vier bekende fundamentele natuurkrachten valt.
Bredere context van precisie-metingen
De zoektocht naar axionen en ultralichte donkere materie is een breed onderzoeksveld. Zo beschrijft een witboek van arxiv.org diverse experimentele benaderingen, variërend van magnetometernetwerken tot specifieke detectoren zoals ADMX en HAYSTAC. Daarnaast wordt er geëxperimenteerd met ruimte-tijd gescheiden atoomklokken en caviteiten om niet-gravitationele koppelingen van ultralichte donkere materie aan standaardmodel-deeltjes te vinden, zoals beschreven in Physical Review Letters.
Ook in de astronomie wordt gezocht naar axion-signalen. Zo is er onderzoek gedaan naar het gebruik van machine learning bij het analyseren van dispersiemetingen van pulsars om verborgen axion-signalen op te sporen, zoals gepubliceerd door IOPscience.
De integratie van nucleaire klokken in dit veld markeert een verschuiving naar nog hogere precisie, waarbij de stabiliteit van de atoomkern van thorium-229 een nieuwe venster opent naar het begrijpen van de donkere zijde van het universum en de fundamentele symmetrieën van de natuur.