هیدروژن عجیب با ۵ نوترون ساخته شد!
زهرا وجدانی: در مرزهای دانش فیزیک هستهای، جایی که قوانین شناختهشده گاه با چالشهایی پیشبینیناپذیر مواجه میشوند، پژوهشگران گامی بلند در کشف ناشناختهها برداشتهاند. برای نخستینبار، دانشمندان با استفاده از روش پراکندگی الکترونی موفق به تولید و اندازهگیری ایزوتوپ بسیار نادر هیدروژن-۶ (⁶H) شدهاند؛ ایزوتوپی با نسبت نوترون به پروتون بیسابقه، که تنها یک پروتون و پنج نوترون در هسته خود دارد.
ایزوتوپ چیست و چه کاربردی دارد؟
ایزوتوپها گونههایی از یک عنصر شیمیایی هستند که تعداد پروتونهای یکسان، اما تعداد نوترونهای متفاوتی در هسته خود دارند. بهعبارت دیگر، تمام ایزوتوپهای یک عنصر در عدد اتمی (تعداد پروتونها) یکساناند، اما در عدد جرمی (مجموع پروتونها و نوترونها) تفاوت دارند. برای مثال، سه ایزوتوپ شناختهشده هیدروژن عبارتند از:
• هیدروژن معمولی یا پروتیوم: یک پروتون و بدون نوترون
• دوتریوم: یک پروتون و یک نوترون
• تریتیوم: یک پروتون و دو نوترون
ایزوتوپها بسته به پایداری یا ناپایداری هستهای، در دو دسته پایدار و ناپایدار (رادیواکتیو) قرار میگیرند. ایزوتوپهای پایدار به طور طبیعی در طبیعت یافت میشوند، اما ایزوتوپهای ناپایدار ممکن است نیمهعمرهای بسیار کوتاهی داشته باشند و تنها در شرایط خاص آزمایشگاهی تولید شوند.
کاربردهای ایزوتوپها بسیار گسترده است و شامل موارد زیر میشود:
• پزشکی هستهای: ایزوتوپهایی مانند ید-۱۳۱ و تکنسیوم-۹۹ برای تشخیص و درمان بیماریها، بهویژه در اسکنهای پزشکی و پرتودرمانی کاربرد دارند.
• تاریخگذاری: ایزوتوپهای کربن (مانند کربن-۱۴) برای تعیین قدمت اشیای باستانی و فسیلها مورد استفادهاند.
• صنعت: ایزوتوپها در ردیابی فرایندهای صنعتی، کنترل کیفیت، و بررسی نشتی در لولهها و سیستمهای بسته کاربرد دارند.
• تحقیقات علمی: ایزوتوپهای نادر مانند ⁶H به دانشمندان اجازه میدهند تا ساختار و نیروهای درون هستهای را بهتر درک کنند، که به مدلسازی دقیقتر فیزیک هستهای میانجامد.
تولید ایزوتوپ نادر هیدروژن-۶ با پراکندگی الکترونی؛ چالشی تازه برای فیزیک هستهای
در یک دستاورد چشمگیر در فیزیک هستهای، گروهی از پژوهشگران بینالمللی برای نخستینبار موفق شدند ایزوتوپ بسیار ناپایدار و نادر هیدروژن-۶ (⁶H) را با استفاده از روش پراکندگی الکترونی تولید و اندازهگیری کنند. این موفقیت در مرکز شتابدهنده ماینتس (MAMI) در آلمان حاصل شده و دریچهای نوین به ساختار هستهای در سامانههای بسیار غنی از نوترون گشوده است.
پیشزمینهای از ایزوتوپهای هیدروژن: از دوتریوم تا ⁷H
در حالت پایه، هستهی اتم هیدروژن تنها از یک پروتون تشکیل شده است. اما در حالتهای برانگیخته و ایزوتوپی، انواع دیگری از هیدروژن وجود دارند که شامل نوترونهایی اضافه میشوند؛ از جمله دوتریوم (پروتون + یک نوترون)، تریتیوم (پروتون + دو نوترون) و ایزوتوپهای فوقسنگین ⁴H تا ⁷H. ایزوتوپهای ⁶H و ⁷H با نسبت نوترون به پروتون بیسابقه خود، از جمله ساختارهایی هستند که چالشهای بنیادی در درک برهمکنشهای چندنوکلئونی ایجاد میکنند.
چند نوترون میتوانند به یک پروتون متصل شوند؟
یکی از پرسشهای محوری در فیزیک هستهای این است که با چند نوترون میتوان یک هسته پایدار یا شبهپایدار ایجاد کرد؟ برای عنصر سادهای، چون هیدروژن، این پرسش به شکل مشخصتری مطرح است: آیا ممکن است یک پروتون به پنج یا شش نوترون متصل شود و هستهای پایدار هرچند لحظهای شکل گیرد؟
پیشتر ایزوتوپهایی، چون ⁴H و ⁵H مشاهده شده بودند، اما دادههای تجربی درباره ایزوتوپهای بسیار سنگینتر مانند ⁶H همواره محدود و بعضاً متناقض بوده است. بهویژه درباره انرژی حالت پایه این ایزوتوپ، اختلافنظرهای زیادی وجود دارد.
روشی نوین برای تولید ایزوتوپ ⁶H: همکاری بینالمللی در ماینتس
پژوهش جدید با همکاری دانشمندانی از دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینتس (JGU) آلمان، دانشگاه فودان شانگهای چین، و دانشگاههای توهوکو و توکیو در ژاپن انجام شده است. گروه A۱ در مرکز فیزیک هستهای JGU، با بهرهگیری از شتابدهنده پیشرفته MAMI، موفق به اجرای آزمایشی شد که در نوع خود بیسابقه است.
در این روش، یک پرتو الکترونی با انرژی ۸۵۵ مگالکترونولت به هدفی از جنس لیتیم-۷ (⁷Li) برخورد میکند. در مرحله نخست، یکی از پروتونهای موجود در هسته لیتیم با الکترون برخورد کرده و برانگیخته میشود و بلافاصله به یک نوترون و یک پیون مثبت (+π) فرو میپاشد. اگر این نوترون پرانرژی با پروتون دیگری در همان هسته برخورد کند، میتواند ایزوتوپ ⁶H را با ترکیب با آن و سایر نوترونهای باقیمانده تولید کند. همزمان، الکترون پراکندهشده، پیون و پروتون از هسته خارج شده و توسط سه طیفسنج مغناطیسی ثبت میشوند.
طراحی آزمایشی پیچیده برای ثبت یکی از نادرترین رویدادهای هستهای
برای اطمینان از ثبت رویداد نادر تولید ⁶H، پژوهشگران طراحی ویژهای برای آزمایش در نظر گرفتند. صفحهای از جنس لیتیم به ضخامت ۰.۷۵ میلیمتر و طول ۴۵ میلیمتر بهگونهای در مسیر باریکه الکترونی قرار گرفت که الکترونها از ضلع بلندتر آن عبور کنند. این نحوه نصب بسیار غیرمرسوم است، چرا که اغلب در آزمایشهای پراکندگی الکترونی، از هدفهای نازک در راستای عمود بر پرتو استفاده میشود.
این طراحی خاص تنها به لطف کیفیت بینظیر پرتو الکترونی در MAMI ممکن شد؛ پرتوهایی با تمرکز بالا، پایداری انرژی، و حداقل نوسان که برای انجام آزمایشهای با حساسیت بالا ضروری است.
چالشهای کار با لیتیم: عنصر واکنشپذیر و شکننده
کار با لیتیم نیز خود چالشهای فنی فراوانی داشت. این فلز قلیایی بهشدت واکنشپذیر، شکننده و حساس به تغییرات دمایی است. آمادهسازی هدف مناسب برای این آزمایش، به دقت و احتیاط بالایی نیاز داشت تا ساختار هدف در طول مدت چند هفتهای آزمایش حفظ شود و تغییر شکل ندهد یا با اکسیژن و رطوبت واکنش نشان ندهد.
تشخیص یک رویداد در روز؛ همزمانسازی سه طیفسنج پیشرفته
در طی یک کمپین اندازهگیری چهار هفتهای، تیم پژوهشی موفق به ثبت حدود یک رویداد در روز شد؛ آماری که دقیقاً با برآوردهای نظری مطابقت داشت. این آزمایش یکی از معدود پروژههایی بود که در آن هر سه طیفسنج دقیق A۱ بهطور همزمان و در حالت «همزمانی کامل» (coincidence mode) کار میکردند تا بتوانند سه ذره خارجشده را به صورت همزمان ثبت کنند.
این همزمانسازی منجر به دستیابی به دقتی بیسابقه و زمینهای با نویز بسیار پایین شد؛ ویژگیای که امکان ثبت دقیق سیگنال ضعیف ⁶H را فراهم کرد.
نتیجهای فراتر از انتظار: انرژی حالت پایهای بسیار پایین
یافتههای این آزمایش نشان میدهد که انرژی حالت پایه ایزوتوپ ⁶H بسیار کمتر از چیزی است که نظریههای کنونی پیشبینی میکنند. این موضوع نشان میدهد که نیروی برهمکنش بین نوترونها در این سیستم بسیار قویتر از حد انتظار است. چنین نتیجهای میتواند مدلسازیهای فعلی از تعاملات چندنوکلئونی را زیر سؤال ببرد و نیاز به بازنگری در نظریههای موجود را گوشزد کند.
پیامدهای بنیادی برای درک ساختار هستهای و ستارههای نوترونی
مطالعه ساختار ایزوتوپهایی مانند ⁶H میتواند تأثیرات گستردهای در درک ما از برهمکنشهای نوکلئونی، ساختار هستههای بسیار سنگین و حتی ساختار ستارههای نوترونی داشته باشد. در این ستارگان چگال، تراکم بالای نوترونها شرایطی مشابه سیستمهایی مانند ⁶H را فراهم میکند.
درک دقیق از چگونگی تعامل نوترونها در چنین شرایطی میتواند به مدلسازی بهتر رفتار ماده در هسته ستارههای نوترونی و فرآیندهای فرارفت درون آنها کمک کند.
نگاهی نو به مرزهای ساختار هستهای
نتایج این پژوهش نهتنها نشاندهنده توانایی فنی خارقالعاده تیم A۱ و آزمایشگاه MAMI است، بلکه مرزهای دانش ما درباره ساختار هستهای را گسترش میدهد. ایزوتوپ ⁶H به عنوان یکی از نادرترین و نوتروندارترین سیستمهای شناختهشده، اکنون به یکی از نقاط کانونی پژوهشهای نظری و تجربی در فیزیک هستهای تبدیل شده است.
چالش بعدی، تکرار این آزمایش با حساسیتهای بالاتر، اندازهگیری دقیقتر انرژی و طولعمر این ایزوتوپ و گسترش روش به سایر ایزوتوپهای بسیار غنی از نوترون است.
انتهای پیام/
