فیزیکدانان به درون اتم‌ نفوذ کردند

دانشمندان مؤسسه فناوری ماساچوست، مولکول‌ها را به برخورددهنده‌های کوچکی تبدیل کردند تا نگاهی اجمالی به درون هسته‌های اتمی بیندازند و احتمالا دلیل وجود جهان هستی را کشف کنند.

به گزارش ایسنا، فیزیکدانان مؤسسه فناوری ماساچوست روشی برای مطالعه‌ درون هسته‌ اتم معرفی کرده‌اند که در آن از الکترون‌های خود اتم به عنوان «پیام‌رسان» درون مولکولی استفاده می‌شود.

به نقل از ساینس‌دیلی، در پژوهشی که در روز ۲۳ اکتبر در مجله‌ ساینس منتشر شد، گروهی از محققان به طور دقیق انرژی الکترون‌هایی را که به دور یک اتم رادیوم که از نظر شیمیایی به یک اتم فلوراید متصل بود و مونوفلورید رادیوم را تشکیل می‌داد، اندازه‌گیری کردند. آن‌ها از محیط مولکولی به عنوان یک جایگزین میکروسکوپی برای برخورددهنده‌ ذرات استفاده کردند و الکترون‌های اتم رادیوم را محدود کردند و احتمال عبور موقت برخی از آن‌ها از هسته را افزایش دادند.

آزمایش‌های سنتی که به بررسی درون هسته می‌پردازند، به شتاب‌دهنده‌هایی چندین کیلومتری وابسته هستند که پرتوهای الکترون را برای برخورد و تکه‌تکه کردن هسته‌ها سرعت می‌بخشند. این رویکرد جدید مولکول‌محور، روشی فشرده و رومیزی برای بررسی مستقیم درون هسته ارائه می‌دهد.

روش رومیزی، پیام‌های هسته‌ای را تشخیص می‌دهد

محققان با کار با مونوفلورید رادیوم، انرژی الکترون‌های اتم رادیوم را هنگام حرکت در درون مولکول ردیابی کردند. آنها تغییر کوچکی در انرژی مشاهده کردند و نتیجه گرفتند که برخی از الکترون‌ها باید برای مدت کوتاهی وارد هسته شده و با آنچه در داخل آن قرار دارد، تعامل داشته باشند. با خروج این الکترون‌ها، تغییر انرژی را حفظ کرده و به طور مؤثر یک پیام هسته‌ای را حمل می‌کنند که ویژگی‌های داخلی هسته را آشکار می‌کند.

این روش مسیری را برای اندازه‌گیری «توزیع مغناطیسی» هسته‌ای باز می‌کند. درون هسته، هر پروتون و نوترون مانند یک آهنربای کوچک رفتار می‌کنند و جهت‌گیری آنها به نحوه چیدمان این ذرات بستگی دارد. این گروه قصد دارد برای اولین بار از این روش برای نقشه‌برداری از این ویژگی در رادیوم استفاده کند، گامی که می‌تواند یکی از معماهای اصلی کیهان‌شناسی را روشن کند: چرا جهان حاوی ماده بسیار بیشتری نسبت به ضدماده است؟

عدم تعادل ماده-پادماده و نقش رادیوم

طبق درک فعلی، جهان اولیه باید تقریبا حاوی مقادیر مساوی ماده و ضدماده می‌بود. با این حال، تقریبا هر چیزی که امروزه می‌توانیم تشخیص دهیم، ماده‌ای است که از پروتون‌ها و نوترون‌های درون هسته‌های اتمی ساخته شده است.

این مشاهده با انتظارات مدل استاندارد در تضاد است و نشان می‌دهد که برای توجیه کمبود پادماده، به منابع اضافی نقض تقارن اساسی نیاز است. چنین اثراتی می‌توانند در هسته اتم‌های خاصی، از جمله رادیوم ظاهر شوند. برخلاف اکثر هسته‌ها که تقریبا کروی هستند، هسته رادیوم شکلی نامتقارن و گلابی مانند دارد. نظریه‌پردازان پیش‌بینی می‌کنند که این هندسه می‌تواند سیگنال‌های نقض تقارن را به اندازه‌ای تقویت کند که آنها را به طور بالقوه قابل مشاهده کند.

ساخت آزمایش‌های مولکولی فوق حساس بررسی درون هسته رادیوم برای آزمایش تقارن‌های اساسی بسیار چالش‌برانگیز است. این گروه تشخیص داد که جاسازی یک اتم رادیوم در یک مولکول می‌تواند رفتار الکترون‌های آن را محدود و تشدید کند.

جابجایی انرژی، رویارویی الکترون-هسته را آشکار می‌کند

محققان با جفت کردن اتم‌های رادیوم با اتم‌های فلوراید، مونوفلورید رادیوم را ایجاد کردند. در این مولکول، الکترون‌های رادیوم به طور مؤثر فشرده می‌شوند که احتمال تعامل آنها با هسته رادیوم و ورود کوتاه مدت آنها به آن را افزایش می‌دهد.

سپس آنها مولکول‌ها را به دام انداخته و خنک کردند، آنها را از طریق محفظه‌های خلأ هدایت کردند و با لیزرهایی که برای تعامل با مولکول‌ها طراحی شده بودند، آنها را روشن کردند. این تنظیمات امکان اندازه‌گیری دقیق انرژی الکترون‌ها را در داخل هر مولکول فراهم کرد.

انرژی‌های اندازه‌گیری شده تفاوت ظریفی با انتظارات مبتنی بر الکترون‌هایی که وارد هسته نمی‌شوند، نشان دادند. اگرچه تغییر انرژی تنها حدود یک میلیونیم انرژی فوتون لیزری بود که برای برانگیختن مولکول‌ها استفاده شد، اما شواهد روشنی ارائه داد که الکترون‌ها با پروتون‌ها و نوترون‌ها در داخل هسته رادیوم برهمکنش داشتند.

مراحل بعدی: نقشه‌برداری از نیروها و آزمایش تقارن‌ها

این گروه قصد دارد در ادامه، از این روش جدید برای نقشه‌برداری از توزیع نیروها در داخل هسته استفاده کند. آزمایش‌های آنها تاکنون شامل هسته‌های رادیوم بوده است که در دمای بالا در جهت‌گیری‌های تصادفی درون هر مولکول قرار می‌گیرند. محققان دوست دارند بتوانند این مولکول‌ها را خنک کنند و جهت‌گیری‌های هسته‌های گلابی شکل آنها را کنترل کنند تا بتوانند محتویات آنها را به طور دقیق نقشه‌برداری کرده و نقض تقارن‌های اساسی را جستجو کنند.

پیش‌بینی می‌شود مولکول‌های حاوی رادیوم، سیستم‌های فوق‌العاده حساسی باشند که در آن‌ها می‌توان به دنبال نقض تقارن‌های اساسی طبیعت گشت. اکنون ما راهی برای انجام این جستجو داریم.

*