「核時計」がついに時を刻む：トリウム229が切り拓く計時と暗黒物質探索の新時代

この特異な低エネルギー状態は、単なる偶然の産物ではありません。約100 keVの電磁力によるエネルギーと、約100 keVの強い力（核力）によるエネルギーが、奇跡的なバランスでほぼ打ち消し合うことで生まれています。この絶妙な均衡こそが、トリウム229の核時計遷移に、微細構造定数などの基礎物理定数のごくわずかな変動や、標準模型を超える未知の力に対する、約10万倍もの超高感度をもたらしているのです。つまり、この時計は時間を測るだけでなく、宇宙の根源的な法則の「歪み」を捉える超高感度センサーでもあるのです。

世界初の核時計の仕組み

清華大学とVCQの両チームは、共通の設計思想に基づいて核時計を構築しました。それは、トリウム229原子核を、フッ化カルシウム（CaF₂）という小さな結晶の中にドーパント（微量添加物）として埋め込むというものです。現在の最高精度の光格子時計などが必要とする複雑な超高真空チャンバーやレーザー冷却装置とは異なり、これらの固体式核時計は室温で動作します。

この時計の核心技術は「レーザーロック」です。148nmの原子核遷移に合わせて連続波レーザーをチューニングし、その周波数を安定化させます。そのために、必要な真空紫外線の「分周波」を利用し、連続吸収分光法に基づく高速フィードバック制御を行います。簡単に言うと、トリウム原子核がレーザー光をどれだけ吸収するかを常時モニターし、吸収が最大になるようレーザーの周波数を微調整し続けることで、原子核の「共鳴周波数」にぴったりと固定するのです。この安定化されたレーザーの振動そのものが、時計の「振り子」の一振り一振りとなります。

こうして生成された時計の出力は、既存の原子時計と比較することで評価されます。例えばVCQのグループは、核安定化レーザーの分周波を、イッテルビウム（Yb⁺）単一イオン光時計と継続的に比較し、その性能を評価しました。

第一世代の性能と未来への道筋

今回発表された核時計は、概念実証機であり、精度を極限まで追求した装置ではありません。そのため、達成された安定度は、この分野の「出発点」を示しています。

• 清華大学のチームは、2 × 10⁻¹² / √τ（τは秒単位の平均化時間）の周波数不安定性を達成しました。
• VCQのチームは、3 × 10⁻¹² / √τ を計測し、明確なショットノイズ限界に達したスケーリング則を示しました。これは、性能向上への道筋がシンプルであることを意味します。この初期段階でも、1日にわたる連続運転で10⁻¹⁵の不安定性に近づいています。

一方、現在世界最高の光原子時計（ストロンチウム光格子時計やアルミニウムイオン時計など）は、10⁻¹⁹レベルという宇宙年齢（約138億年）を通して1秒すら狂わない精度に日常的に達しています。つまり、今回の核時計は、現時点では最高の光原子時計より約1000万倍も精度が低いことになります。

しかし、これは織り込み済みの差です。原子時計も第一世代は現在と比べ物にならない性能でした。研究者たちは核時計のプラットフォームが急速に進化すると期待しており、その道筋もすでに見えています。最大の利点は、原子核遷移が原子時計を悩ませる外部電磁場などの擾乱に本質的に強いことです。

マジック温度196K
2026年、JILAの研究チームは、CaF₂結晶中のトリウム229にとって、**196K（約-77℃）**が「魔法の温度」であることを発見しました。この温度では、温度変化による核遷移周波数への一次の影響が実質的にゼロになります。実験では、195Kで異なる2つの結晶を用いた7ヶ月にわたる測定で、220 Hzという極めて高い周波数再現性（分数周波数安定度で約1.1 × 10⁻¹³に相当）が確認されました。この「魔法の温度」への冷却こそが、10⁻¹⁸レベルの再現性へと到達し、最高の光原子時計に追いつくための重要なステップと見なされています。

原子時計を超える優位性

まだ初期段階であるにもかかわらず、核時計は原子時計にはない根本的なアドバンテージを示しています。

• 環境擾乱への耐性：原子核は、原子時計が利用する電子雲と比べて約10万分の1のサイズであり、さらにその電子雲によって遮蔽されています。このため、外部の磁場や電場、温度変動といった実験室のノイズの影響を極めて受けにくいのです。
• 小型・堅牢性：時計の心臓部が小さな固体結晶であるため、装置全体の超小型化・耐環境化が可能です。これにより、測地学、高精度ナビゲーション、安全な通信といった、実験室外での高精度計時の応用が、大規模で繊細な現行の原子時計よりもはるかに現実的になります。
• 基礎物理への超高感度：前述の通り、トリウム229の遷移エネルギーを生み出した偶然の相殺が、基礎物理定数の変動や未知の粒子へのアンプ（増幅器）として機能します。極軽量の暗黒物質が存在すれば、その痕跡を時計の周波数変動として捉えられる可能性があります。

最初の応用：暗黒物質を狩る

VCQのチームは、この時計の精度限界を追求するのを待たず、すぐにこれを暗黒物質検出器として展開しました。

多くの理論は、宇宙を満たす「極軽量暗黒物質」の場が宇宙の波のように振る舞い、検出器を通過する際に基礎物理定数を極めて微小に振動させると予測しています。基礎物理定数への感度が増幅された核時計は、この探索にうってつけの装置です。ウィーンのグループは、20秒から1日までの時間スケールで、トリウム遷移エネルギーに生じる微細な周期的変動を探索しました。これが振動する暗黒物質場のシグネチャーとなります。

結果はシグナルなし。しかし、この「何も見つからなかった」という結果自体が大きな意味を持ちます。彼らが設定した極軽量暗黒物質の結合強度に対する上限値は、核時計の周波数安定度が劣っているにもかかわらず、すでに原子時計による最高の制限値と互角であることが示されました。 これは、原子核遷移が暗黒物質との相互作用に対して飛躍的に高い感度を持つことの直接的な証拠です。清華大学チームのプレプリントも、同様のアドバンテージを活かした初期の制限値を報告しています。

これはまだ始まりに過ぎません。核時計の安定度が向上するにつれて、最も進んだ原子時計で到達可能な領域よりも何桁も小さい暗黒物質の結合強度を探査できるようになると期待されています。それは、この宇宙の「失われた質量」を解明する、全く新しい窓を開くことになるかもしれません。

計時が変わる、宇宙の謎に迫る

2026年6月の今回の成果は、レーザーを原子核遷移に連続的に固定し、実用的な周波数標準として利用した初めての例です。これは、実用的な時計として成立するための必須条件でした。核時計はもはや理論上の提案ではなく、作動する装置となったのです。

現在はまだ光原子時計の精度に遠く及びませんが、その将来性は既存の全ての時間標準を凌駕する可能性を秘めています。次のステップは明確です。結晶を最適動作点である196Kに冷却し、レーザーシステムを改善し、系統誤差の制御を洗練させること。これらの改良により、核時計は最も精密な時を刻むだけでなく、暗黒物質の正体を暴き、基礎物理の対称性を検証し、そして自然の定数そのものが時間とともに変化するかを監視する、強力な観測装置となるでしょう。