宇宙誕生の138億年前から1秒もずれない「原子核時計」実現に一歩前進、日本人が活躍する「次世代型時計」開発の意義

事実、トリウム229による原子核時計が実現すれば、誤差は317億年で1秒程度になると考えられています。ちなみに、原子核のエネルギー状態を変えるには、通常は大きなエネルギーが必要ですが、トリウム229は唯一、他の元素の1000分の１から100万分の１のエネルギーで原子核を励起できることが以前より知られていました。

トリウム229に照射すべきレーザー光のエネルギー（トリウム229のアイソマー状態のエネルギー）は測定が難しく、長らく確定されませんでしたが、2019年にアメリカチーム、ドイツチーム、今回の研究を主導した理研の山口専任研究員らの日本チームという異なる３チームが約8.3電子ボルト（波長149ナノメートルのレーザーに相当）とほぼ同じ値の測定に成功しました。

今回、理研チームは、トリウム229をイオントラップに捕獲する装置を開発し、アイソマー状態の寿命の決定に成功しました。

これまでは、トリウム229に照射してアイソマー状態にするためのレーザー（波長149ナノメートル）の作製が困難で寿命の測定ができませんでしたが、研究チームはウラン233のアルファ崩壊でアイソマー状態のトリウム229イオンが生成される性質を利用しました。その結果、アイソマー状態の寿命（半減期）は1400（+600/-300）秒と決定しました。

研究チームは今後、エネルギー8.3eV（波長149nm）のレーザー作製と、そのレーザーでのトリウム229原子核励起の成功を数年以内に達成し、原子核時計を実現する計画を立てています。

原子核時計だけじゃない有力な次世代型時計

日常生活で使うには精密すぎる原子核時計ですが、原子時計から精度がバージョンアップすることによって、新たに得られる知見にはどのようなものが期待されているでしょうか。

最近は、宇宙の膨張によって、基本的な物理定数は宇宙の誕生から時間を経るにつれて変化しているという仮説が有力視されています。また、宇宙の膨張が重力に支配されているとすれば膨張は時間とともに減速するはずですが、1998年にIa型超新星の観測によって宇宙の膨張は加速していることが示されました。超精密な原子核時計を使えば、研究者の観測期間中に微小な差異を検出できて、宇宙の謎の解明につながる可能性があります。

さらに、アインシュタインの相対性理論では、重力が強くなるほど時間の進み方が遅くなります。原子核時計は、地球上で物体を１センチ持ち上げたときの重力変化による時間のずれも検出できると想定されています。となると、今よりもごく小さな地殻変動も検知できるようになる可能性があり、地震や火山活動につながるような変化もいち早く見つけることができるようになるかもしれません。

さらに、現在、開発されている有力な次世代型の時計は、原子核時計だけではありません。たとえば、「秒」の定義は26年か30年の国際度量衡総会で再度改められる予定ですが、基準となるのは「光格子時計」で計測した値になる見込みです。これは原子時計の一種で、セシウムの代わりに光格子を用いることで従来の原子時計の1000倍の精度を達成します。

この光格子時計の理論の提唱者で、「21世紀のノーベル賞」とも呼ばれる「基礎物理学ブレークスルー賞」を22年に受賞したのが、本研究の中心となった理研・香取量子計測研究室の代表である香取秀俊主任研究員（兼・東大大学院教授）です。

超高精度な次世代型時計の研究では、日本人が大活躍しています。138億年で1秒にも満たない誤差にこだわる研究者たちにならって、私たちもほんの少しの時間の積み重ねを意識してみたいですね。