نگاه به قلب اتم با روشی انقلابی

فیزیک‌دانان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) با ابداع یک روش کاملا جدید و مبتکرانه، توانسته‌اند برای اولین بار با دقتی بی‌سابقه به درون هسته اتم‌ها نفوذ کنند. این دستاورد بزرگ که جایگزینی کوچک و میزی برای شتاب‌دهنده‌های ذرات عظیم‌الجثه ارائه می‌دهد، می‌تواند به حل یکی از عمیق‌ترین معما‌های کیهان یعنی چیرگی ماده بر پادماده کمک کند.

ساخت یک برخورددهنده ذرات در ابعاد مولکولی

به گزارش مجله ساینس (Science)، این تیم تحقیقاتی با اتصال اتم‌های رادیوم به اتم‌های فلوئور و تشکیل مولکول‌های رادیوم مونوفلوئورید موفق به این کشف شدند. در این روش از الکترون‌های خود اتم به عنوان کاوشگر استفاده می‌شود. در این مولکول‌ها، الکترون‌های در حال چرخش به دور هسته رادیوم به اندازه‌ای محدود و فشرده می‌شوند که به طور موقتی می‌توانند به درون هسته نفوذ کرده و سپس به مدار‌های عادی خود بازگردند.

پایان عصر شتاب‌دهنده‌های غول‌آسا؟

تاکنون، برای کاوش درون هسته اتم‌ها، به شتاب‌دهنده‌های ذراتی عظیم نیاز بود که کیلومتر‌ها وسعت داشته و پرتو‌های الکترون را با سرعت‌های بسیار بالا به سوی هسته‌ها شلیک می‌کنند. در مقابل، این فناوری جدید مبتنی بر مولکول‌ها یک جایگزین جمع‌وجور و میزی ارائه می‌دهد که امکان بررسی درون هسته‌ها را با سهولت بسیار بیشتری فراهم می‌کند.

الکترون‌ها به عنوان پیک‌های هسته‌ای

دانشمندان در این آزمایش سطح انرژی الکترون‌ها را در حین حرکت در ساختار اتمی به دقت زیر نظر گرفتند. آنها دریافتند که یک جابجایی انرژی بسیار کوچک، اما قابل‌اندازه‌گیری رخ می‌دهد. این تغییر انرژی نشان می‌داد که برخی از الکترون‌ها به طور مختصر به درون هسته رادیوم وارد شده و با پروتون‌ها و نوترون‌های درون آن تعامل کرده‌اند. زمانی که این الکترون‌ها به مسیر‌های خارجی خود بازگشته‌اند، این انرژی تغییر یافته را با خود حمل کرده‌اند، گویی که پیامی از درون هسته را خارج کرده‌اند که می‌توان آن را برای آشکارسازی ساختار داخلی هسته رمزگشایی کرد.

نقشه‌برداری از میدان مغناطیسی هسته

این رویکرد وسیله‌ای جدید برای ترسیم آنچه فیزیک‌دانان توزیع مغناطیسی هسته می‌نامند، فراهم می‌کند. هر پروتون و نوترون مانند یک آهنربای کوچک رفتار می‌کند و نحوه تراز شدن آنها به چیدمانشان درون هسته بستگی دارد. محققان اکنون قصد دارند از این روش برای ایجاد اولین نقشه دقیق از این الگوی مغناطیسی درون هسته رادیوم استفاده کنند.

پاسخ به یک معمای کیهانی: چرا جهان از ماده ساخته شده است؟

یافته‌های این تحقیق می‌تواند پرده از یکی از بزرگ‌ترین اسرار کیهانشناسی بردارد: دلیل وجود بسیار بیشتر ماده در مقایسه با پادماده. بر اساس بهترین درک دانشمندان، در لحظه پیدایش جهان باید مقادیر تقریبا برابری از ماده و پادم atter وجود می‌داشت. اما تقریبا تمام آنچه امروز مشاهده و اندازه‌گیری می‌شود، از ماده ساخته شده است. این مشاهده با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد فیزیک در تضاد است و به نظر می‌رسد برای توضیح این ناهمخوانی به منابع اضافی ناقض تقارن نیاز باشد.

هسته رادیوم: یک تقویت‌کننده طبیعی

هسته رادیوم به دلیل شکل نامتقارن و گلابی‌مانند خود، یک سیستم ایده‌آل برای جستجوی این نقض تقارن‌ها محسوب می‌شود. رونالد فرناندو گارسیا رویز، استاد فیزیک MIT و از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: هسته رادیوم پیش‌بینی شده است که یک تقویت‌کننده برای این شکست تقارن باشد، زیرا هسته آن در بار و جرم نامتقارن است که بسیار غیرعادی است.

غلبه بر چالش‌های فنی

انجام این آزمایش به دلیل ماهیت رادیواکتیو و نیمه‌عمر کوتاه رادیوم، همراه با تولید مقادیر بسیار اندک از مولکول رادیوم مونوفلوئورید، بسیار دشوار بود. شین ویلکینز، نویسنده اصلی این مطالعه، توضیح می‌دهد: بنابراین به تکنیک‌های فوق‌العاده حساسی برای اندازه‌گیری آنها نیاز داشتیم. کلید این موفقیت، قرار دادن اتم رادیوم درون یک مولکول بود.

سیلویو ماریان اودرسکو، دیگر محقق این پروژه، می‌گوید: وقتی این اتم رادیواکتیو را درون یک مولکول قرار می‌دهید، میدان الکتریکی داخلی که الکترون‌هایش تجربه می‌کنند به مراتب بزرگ‌تر از میدان‌هایی است که می‌توانیم در آزمایشگاه تولید و اعمال کنیم. به نوعی، مولکول مانند یک برخورددهنده ذرات غول‌پیکر عمل می‌کند و فرصت بهتری برای کاوش هسته رادیوم به ما می‌دهد.

اندازه‌گیری یک تغییر انرژی فوق‌العاده کوچک

در این آزمایش محققان پس از ساخت مولکول‌های رادیوم مونوفلوئورید، آنها را به دام انداخته و سرد کردند و سپس از محفظه‌های خلأ عبور دادند. با برهمکنش لیزر‌ها با این مولکول‌ها، آنها توانستند انرژی الکترون‌های درون هر مولکول را با دقتی بی‌سابقه اندازه‌گیری کنند. تحلیل این داده‌ها نشان داد که انرژی الکترون‌ها با آنچه در صورت ماندن در خارج از هسته انتظار می‌رفت، اندکی تفاوت دارد. این تفاوت فوق‌العاده ناچیز تنها حدود یک‌میلیونم انرژی فوتون لیزر، اما شاهدی قطعی بر نفوذ الکترون‌ها به درون هسته رادیوم بود.

نقشه‌برداری نهایی و جستجوی ناقض‌های تقارن

گارسیا رویز با اعلام این موفقیت می‌گوید: اکنون ثابت کرده‌ایم که می‌توانیم از درون هسته نمونه‌برداری کنیم. این کار مانند اندازه‌گیری میدان الکتریکی یک باتری است. مردم می‌توانند میدان خارجی آن را اندازه بگیرند، اما اندازه‌گیری درون باتری به مراتب چالش‌برانگیزتر است؛ و این همان کاری است که ما اکنون می‌توانیم انجام دهیم.

گام بعدی محققان، استفاده از این تکنیک برای ایجاد یک نقشه دقیق از نحوه توزیع نیرو‌ها در داخل هسته است. آنها قصد دارند با سرد کردن بیشتر مولکول‌ها و کنترل جهت‌گیری هسته‌های گلابی‌شکل رادیوم، هسته را با دقت بیشتری نقشه‌برداری کرده و به جستجوی احتمالی برای نقض قوانین بنیادی تقارن در طبیعت بپردازند.

گارسیا رویز در پایان با بیان چشم‌انداز آینده، نتیجه‌گیری می‌کند: مولکول‌های حاوی رادیوم پیش‌بینی شده‌اند که سیستم‌های استثنایی حساسی برای جستجوی نقض تقارن‌های بنیادی طبیعت باشند. اکنون ما راهی برای انجام آن جست‌و‌جو در اختیار داریم.

انتهای پیام/