يستخدم الفيزيائيون جزيءًا واحدًا كمصادم جسيمات صغير ScienceAlert

لدراسة الأعمال الداخلية لنواة الذرة، اعتمد العلماء تقليديًا على أجهزة معقدة مصادمات الجسيمات لتفجير النوى مع الإلكترونات.

غالبًا ما تتطلب هذه المصادمات مرافق كبيرة، بعضها كيلومترات تمتد، يمكنها تسريع الإلكترونات إلى سرعات مذهلة بحثًا عنها أسرار داخل النواة.

وفي دراسة جديدة، يقترح الباحثون بديلاً أبسط وأصغر نطاقًا بكثير. لقد جمعوا البيانات من داخل النوى دون أي ضجيج، وبدلاً من ذلك قاموا بتجنيد إلكترونات الذرة كـ “رسل” داخل جزيء ثنائي الذرة.

متعلق ب: يقول تقرير CERN: من الممكن أن يكون هناك جهاز ضخم لتحطيم الجسيمات يبلغ طوله 56 ميلاً

لقد فعلوا ذلك عن طريق إقران ذرة الراديوم بذرة الفلورايد، لتكوين جزيء من أحادي فلوريد الراديوم. وبالاستفادة من خصائص البيئة داخل الجزيئات، أنشأوا نوعًا من المصادم المجهري الذي تسللت فيه إلكترونات ذرة الراديوم إلى نواتها لفترة وجيزة.

وقد أتاح هذا للباحثين مراقبة طاقات الإلكترونات داخل الجزيء بدقة، مما كشف عن تحول طفيف في الطاقة. ومن الواضح أن الإلكترونات كانت تقوم بغزوات قصيرة داخل نواة الراديوم وتتفاعل مع محتوياتها.

يمكن أن يمثل ذلك طريقة جديدة لقياس التوزيع المغناطيسي للنواة، أو كيفية تأثير ترتيب البروتونات والنيوترونات على خصائصها المغناطيسية.

ويشير الباحثون إلى أن الدراسة الجديدة هي خطوة مبكرة، لكنهم يخططون لاستخدام هذه التقنية لإلقاء ضوء جديد على نواة الراديوم. يمكن أن يساعد هذا النوع من الاستبصار في حل الألغاز الرئيسية في الفيزياء، مثل لماذا يبدو أن الكون يحتوي على مادة أكثر بكثير من المادة المضادة.

“تضع نتائجنا الأساس لدراسات لاحقة تهدف إلى قياس انتهاكات التماثلات الأساسية على المستوى النووي.” يقول شارك في تأليف دراسة عالم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا رونالد فرناندو جارسيا رويز. “وهذا يمكن أن يقدم إجابات لبعض الأسئلة الأكثر إلحاحا في الفيزياء الحديثة.”

تشير النماذج الحالية إلى أن الكون الوليد لا بد أن يحتوي على كميات متساوية تقريبًا من المادة والمادة المضادة، إلا أن الأخيرة نادرة بشكل مثير للريبة. وبدلًا من ذلك، نجد معظم المادة في الكون اليوم انتهاك واضح للتماثل المتوقع بين الاثنين.

يشتبه العلماء في أن الإجابات تكمن داخل بعض النوى الذرية، التي يمكن أن تحتوي أحشاؤها الداخلية على أدلة حول ندرة نظيراتها من المادة المضادة.

يوضح الباحثون أن الراديوم هو المرشح الرئيسي، وذلك بسبب شكل نواته الذي يشبه الكمثرى. معظم النوى الذرية كروية؛ قد تعزز البنية غير المتكافئة للراديوم إمكانية ملاحظة انتهاكات التماثل الأساسية.

“من المتوقع أن تكون نواة الراديوم مكبرًا لكسر التناظر هذا، لأن نواتها غير متماثلة في الشحنة والكتلة، وهو أمر غير معتاد تمامًا” غارسيا رويز يقول.

ومع ذلك، لا يزال من الصعب كسره.

“الراديوم مشع بشكل طبيعي، وله عمر قصير، ولا يمكننا حاليًا إنتاج سوى جزيئات أحادية فلوريد الراديوم بكميات صغيرة”. يقول المؤلف الرئيسي والفيزيائي شين ويلكنز، وهو باحث سابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ويعمل الآن في جامعة ولاية ميشيغان. “لذلك نحن بحاجة إلى تقنيات حساسة بشكل لا يصدق حتى نتمكن من قياسها.”

المفتاح هو دمج ذرة الراديوم في الجزيء، الذي يحتوي على أنشطة إلكتروناتها ويكثفها، كما يوضح المؤلف المشارك سيلفيو ماريان أودريسكو، وهو أ.فيزيائي في جامعة جونز هوبكنزالذي ساهم في الدراسة كطالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

“عندما تضع هذه الذرة المشعة داخل الجزيء، فإن المجال الكهربائي الداخلي الذي تتعرض له إلكتروناتها يكون أكبر بكثير مقارنة بالحقول التي يمكننا إنتاجها وتطبيقها في المختبر،” أودريسكو يقول. “بطريقة ما، يعمل الجزيءكمصادمجسيماتعملاق ويمنحنا فرصة أفضل لاستكشاف نواة الراديوم.”

داخل أحادي فلوريد الراديوم، كانت إلكترونات ذرة الراديوم مقيدة بطريقة زادت من احتمالات دخولها إلى النواة. قام الباحثون بحصر الجزيئات وتبريدها، ثم استخدموا الليزر لقياس طاقات الإلكترونات بداخلها.

أشارت تحولات صغيرة ولكن مهمة في البيانات إلى وجود مشاريع داخل النواة.

“هناك العديد من التجارب التي تقيس التفاعلات بين النوى والإلكترونات خارج النواة، ونحن نعرف كيف تبدو تلك التفاعلات”، يقول ويلكنز. يقول.

“عندما ذهبنا لقياس طاقات الإلكترونات بدقة شديدة، لم تصل إلى ما توقعناه على افتراض أنها تتفاعل فقط خارج النواة”. يضيف. “هذا يخبرنا أن الاختلاف يجب أن يكون بسبب تفاعلات الإلكترون داخل النواة.”

أفاد الباحثون أن هذا الاكتشاف يمكن أن يحدث ثورة في قدرتنا على دراسة النوى الذرية. أعلى الرغم من أننا نعرف مدى صعوبة مراوغة الجسيمات دون الذرية؛ هم لا تتخلى عن أسرارها بسهولة.

“لدينا الآن دليل على أنه يمكننا أخذ عينات من داخل النواة. إنه مثل القدرة على قياس المجال الكهربائي للبطارية.

يمكن للناس قياس المجال الكهربائي في الخارج، ولكن القياس داخل البطارية أكثر صعوبة بكثير. وهذا ما يمكننا القيام به الآن،” غارسيا رويز يقول.

“من المتوقع أن تكون الجزيئات المحتوية على الراديوم أنظمة حساسة بشكل استثنائي للبحث عن انتهاكات التماثلات الأساسية للطبيعة،” يضيف. “لدينا الآن طريقة لتنفيذ هذا البحث.”

ونشرت الدراسة فيعلوم.