برای چندین دهه، هسته برخی اتمها پرتوی گامای کمانرژی بیشتری نسبت به آنچه از طریق نظریهها پیشبینی میشد، از خود ساطع میکردند. اکنون تیمی از پژوهشگران به سرپرستی محققان تأسیسات پرتوهای ایزوتوپ کمیاب (FRIB)، منشأ این ناهنجاری و مازاد مرموز را در «روی-۷۰» (zinc-70) ردیابی کرده و آن را به گذارهای مغناطیسی در درون هسته نسبت دادهاند.
این یافتهها در قالب مطالعهای اخیراً در مجله Nature به چاپ رسیده است. حل این مسئله دیرینه در فیزیک هستهای میتواند محاسبات مربوط به درک ساختار هستهای و نحوه تشکیل عناصر در فضا را ارتقا دهد.
این همکاری بینالمللی، دانشمندانی از ۲۵ مؤسسه علمی در کشورهای ایالات متحده، کانادا، ایتالیا، آلمان، نروژ و کره جنوبی را گرد هم آورده است.
گذارهای مغناطیسی مازاد پرتو را توضیح میدهند
پرتوهای گاما به همان خانواده بزرگ امواج الکترومغناطیسی تعلق دارند که نور مرئی و امواج رادیویی را شامل میشود. هستههای اتمی برانگیخته هنگامی که به حالتهای انرژی پایینتر و پایدارتر منتقل میشوند، پرتوی گاما آزاد میکنند. فیزیکدانان میزان انتشار پرتوهای گاما توسط هستهها در سطوح مختلف انرژی را با معیاری به نام «تابع قدرت پرتو گاما» توصیف میکنند.
گذارهای الکترومغناطیسی بین حالتهای هستهای، بسته به نحوه بازآرایی پروتونها و نوترونها در داخل هسته هنگام آزاد شدن انرژی، میتوانند الکتریکی یا مغناطیسی باشند. طی چند دهه گذشته، آزمایشها افزایش غیرمنتظرهای را در پرتوهای گامای کمانرژی ساطعشده از برخی هستهها نشان دادهاند. این ویژگی که با عنوان «تقویت انرژی پایین» (LEE) شناخته میشود، در تابع قدرت پرتو گاما ظاهر میشود؛ اما منشأ فیزیکی آن تا کنون مبهم باقی مانده بود.
دانشمندانی از چهار آزمایشگاه ملی ایالات متحده، از جمله آزمایشگاههای «لارنس لیورمور» و «لوس آلاموس» متعلق به سازمان ملی امنیت هستهای آمریکا (NNSA)، در این پروژه مشارکت داشتند.
این پروژه منعکسکننده همکاریهای گستردهتر FRIB با آزمایشگاههای ملی است؛ همکاریهایی که تحقیقات بنیادی هستهای را به کاربردهای امنیت ملی پیوند میدهد و در عین حال آموزشهای عملی را برای متخصصان آینده حوزه هستهای فراهم میسازد.
الینور رونینگ، نویسنده اصلی این مقاله و دانشجوی فارغالتحصیل سابق FRIB که اکنون پژوهشگر پسادکتری در «مؤسسه ملی فیزیک هستهای» در پادووای ایتالیا است، میگوید:
این تقویت انرژی پایین توسط نظریهها پیشبینی نشده بود؛ بنابراین زمانی که برای اولین بار مشاهده شد، نوعی شوک به جامعه علمی وارد کرد. پیشبینی اینکه LEE در کجا رخ میدهد دشوار است — ما دقیقاً نمیدانیم کدام هستهها آن را بروز خواهند داد.
اندازهگیریهای جدید مدارک محکمی ارائه میدهد مبنی بر اینکه گذارهای مغناطیسی باعث ایجاد این تقویت و افزایش انرژی میشوند.
آندریا ریچارد، از سرپرستان این پژوهش، استادیار و سرپرست موقت آزمایشگاه شتابدهنده ادواردز در دانشگاه اوهایو میگوید:
این یک گام رو به جلوی کلیدی است. ما اکنون توضیحی یکپارچه و منطقی داریم که مشاهدات تجربی را به نظریه متصل میکند.
این کشف مدلهای تشکیل عناصر را تغییر میدهد
حل معمای منشأ LEE اهمیتی فراتر از درک ساختار داخلی هسته اتم دارد؛ زیرا این پدیده بر واکنشهای هستهای که باعث خلق عناصر در محیطهای کیهانی میشوند نیز تأثیر میگذارد.
پدیده LEE فراوانی مورد انتظار واکنشهای «جذب نوترون» را افزایش میدهد؛ واکنشهایی که در آن هسته اتم یک نوترون را جذب میکند. این واکنشها در تولید عناصر سنگین طی رویدادهایی مانند انفجارهای ابرنواختری و ادغام ستارگان نوترونی نقش دارند.
هنگامی که این تقویت روی هستههای زیادی تأثیر بگذارد، پیامد جمعی آن میتواند نرخ واکنشهای محاسبهشده را به طور قابلتوجهی تغییر دهد. این تغییرات بر مدلهای فرآیندهای هستهای ستارهای، سیستمهای انرژی هستهای و کاربردهای مرتبط با برنامههای امنیت ملی NNSA تأثیرگذار خواهد بود.
اندازهگیری LEE بسیار دشوار است؛ زیرا سیگنال آن ضعیف بوده و میتواند زیر نویزهای پسزمینه پنهان شود. جداسازی این سیگنال نیازمند ابزارهای فوقالعاده حساس و روشهای تحلیلی بسیار دقیق است.
آرتمیس اسپیرو، استاد فیزیک در FRIB و دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه ایالتی میشیگان میگوید:
تیم ما بیش از یک دهه است که به دنبال راههایی برای تشخیص ماهیت این تقویت انرژی پایین در انتشار پرتو گاما بوده است. این نتیجه تنها به لطف توسعه قابلیتهای آزمایشگاهی جدید و تکنیکهای تحلیلی جدیدی ممکن شد که در زمان آغاز کار ما اصلاً وجود نداشتند.
شان لیدیک، استاد شیمی در FRIB و استاد راهنمای رونینگ نیز اشاره کرد که این مطالعه به قابلیتهایی متکی بود که تنها در FRIB یافت میشود.
لیدیک گفت:
ما از یک تکنیک آزمایشگاهی نوآورانه استفاده کردیم که ابزارهای تخصصی را به گونهای ترکیب میکرد که از کل ظرفیت مجموعهمان به طور مؤثر بهره میبرد. دیدن اینکه این تلاش به چنین نتیجه شفافی منجر شده، بسیار هیجانانگیز است.
دو مسیر، سیگنال پنهان را ایزوله میکنند
پژوهشگران تمرکز خود را بر پرتوهای گامای کمانرژی ساطعشده از «روی-۷۰» معطوف کردند؛ هستهای که گمان میرفت دارای پدیده LEE باشد و چیدمان ترازهای انرژی شناختهشده آن پیشتر به خوبی ثبت شده بود. آنها به جای تولید روی-۷۰ تنها از یک مسیر، واپاشی بتای دو حالت مختلف از هسته مادر آن، یعنی «مس-۷۰» را بررسی کردند.
یک پرتو از مس-۷۰ حاوی هستههایی در «حالت پایه» بود، در حالی که پرتو دیگر شامل هستههایی در حالت برانگیخته موسوم به «ایزومر» بود. این دو نقطه شروع، مسیرهای مجزایی را به سمت روی-۷۰ ایجاد کردند، ترکیبات متفاوتی از ترازهای انرژی آن را پر کردند و دیدگاههای تکمیلی و همهجانبهای از هسته ارائه دادند.
تولید پرتوهای فوقالعاده خالص از هر دو حالت مس-۷۰ نیازمند استفاده از تله یونی و پرتو کمانرژی FRIB (موسوم به LEBIT) بود؛ یک طیفسنج جرمی با دقت بالا که قادر است هستههایی با تفاوتهای بسیار ناچیز در جرم و انرژی را از هم جدا کند.
رایان رینگل، دانشیار فیزیک در FRIB و سرپرست گروه LEBIT میگوید:
ما برای اولین بار از LEBIT به این روش استفاده کردیم. این یک چالش جذاب بود که فرصتهای آموزشی بیشتری را نیز برای دانشجویان فارغالتحصیل گروه ما فراهم کرد. این تکنیک جدید برای جداسازی ایزومرها، راه را برای مطالعه هستههای بسیار بیشتری باز میکند و انگیزهای برای پیشرفتهای فنی جهت ارتقای قابلیتهای ما در این زمینه است.
پس از واپاشی هستههای مس-۷۰، آشکارساز جمعکننده یدید سدیم (SuN)، پرتوهای گامای آزادشده توسط روی-۷۰ را ثبت کرد. سپس پژوهشگران از دو رویکرد تحلیلی به نامهای «روش بتا-اسلو» (beta-Oslo) و «روش شکل» (Shape method) برای محاسبه تابع قدرت پرتو گامای تولیدشده از هر حالت اولیه استفاده کردند.
مقایسه این دو تابع قدرت به پژوهشگران اجازه داد تا به طور قاطع به این نتیجه برسند که گذارهای مغناطیسی در درون روی-۷۰ باعث ایجاد تقویت انرژی پایین میشوند. این نتیجه، یک معیارسنجی آزمایشگاهی جدید در اختیار نظریه هستهای قرار میدهد و راهنمایی برای مطالعات آینده خواهد بود.
لیدیک افزود:
ما مشتاقیم این تکنیک جداسازی ایزومرها را روی هستههای بیشتری پیاده کنیم. دانستن اینکه کدام هستهها باید این تقویت انرژی پایین را نشان دهند، کلید طراحی آزمایشها برای بررسی آنها در مراکزی مانند FRIB و همچنین بهبود مدلهای نحوه خلق عناصر در محیطهای کیهانی است.
منبع: Scitechdaily
