اكتشف الفيزيائيون طريقة جديدة للنظر داخل جزيء مشع وكشفوا عن ظاهرة غريبة في نواته

قام علماء الفيزياء بدراسة جزيء نادر للنظر في كيفية توزيع المغناطيسية داخل النواة المشعة لأول مرة.

قواعد الطبيعة لا تتغير بشكل عام. إذا رميت كرة في سياتل أو في طوكيو، فإنها تسقط بنفس الطريقة. يطلق الفيزيائيون على هذا اسم “التناظر”، ويستخدمون التناظر كدليل لكيفية تصرف الكون. هذا ما يبقي العالم ثابتًا – إذا عملت قوانين الفيزياء بشكل مختلف في أيام الثلاثاء، فسيصبح الكون فوضى.

لكن يبدو أن بعض أجزاء الطبيعة لا تتبع هذا التوازن المثالي. على سبيل المثال، قد يبدو من العدل افتراض أن الكون يجب أن يتعامل مع المادة والمادة المضادة على قدم المساواة. ومع ذلك فإن كوننا مصنوع تقريبا بالكامل من المادةوما زال الفيزيائيون لا يعرفون السبب.

أحد الأماكن الواعدة للبحث عن الإجابات هو داخل النوى المشعة. وذلك لأن الترتيب غير المتساوي للبروتونات والنيوترونات يمكن أن يؤدي إلى تضخيم أصغر الفواصل في التماثل. إذا تمكن العلماء من اكتشاف تلك التباينات الصغيرة، فقد يكشف ذلك عن فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي، وفقًا لما قاله سيلفيو ماريان أودريسكو، عالم فيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومؤلف مشارك لدراسة جديدة حول هذه الظاهرة.

في دراسة نشرت في 23 أكتوبر في المجلة علومقام العلماء في CERN وMIT بفحص جزيء مشع قصير العمر يسمى أحادي فلوريد الراديوم (RaF) لقياس طيف الطاقة الخاص به. ولكن من المدهش أنهم انتهى بهم الأمر إلى إجراء أول ملاحظة لكيفية توزيع المغناطيسية داخل إحدى نواتها. ولم يتم رؤية هذه الظاهرة، المعروفة باسم تأثير بور-فايسكوبف، في أي جزيء من قبل.

الأفوكادو الذرة

يتكون جزيء RaF من ذرتين: الراديوم والفلورايد. ولكل منها نواتها الخاصة. نواة الراديوم لديها خاصية تسمى “التشوه الثماني القطب”.

“يمكنك أن تفكر في الأمر على أنه النواة نفسها لها شكل الكمثرى أو الأفوكادو” شين ويلكنزقال عالم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الأول للدراسة لـ Live Science. نظرًا لشكله غير المتماثل، يعتبر RaF مرشحًا مثاليًا للعثور على عدم التماثل الذي كان الفريق يبحث عنه.

وأضاف أودريسكو: “إنها ملكية نادرة جدًا”. “إنه يحدث فقط في عدد قليل من النوى الذرية عبر المخطط النووي بأكمله. وجميع تلك النوى التي لها هذا الشكل الكمثري هي مشعة.”

وهذا النشاط الإشعاعي يجعل دراسة هذه النوى صعبة لأن هذه النظائر غير مستقرة وقصيرة العمر. وهذا يعني أنها تتحلل خلال حوالي 15 يومًا، ويمكن أن تختفي قبل أن يتمكن الباحثون من إجراء العديد من القياسات. وقال ويلكنز: “لا يمكننا إنتاجها إلا بكميات صغيرة جدًا”.

وقد لوحظ تأثير بور-فايسكوبف في الذرات الفردية، حيث تتفاعل الإلكترونات مع نواة واحدة. ومع ذلك، فإن اكتشافه داخل الجزيء يعد أكثر صعوبة. وذلك لأن الإلكترونات تتحرك باستمرار بين النواتين. يمكن لهذه الحركة أن تطمس الإشارات المغناطيسية وتجعل من الصعب اكتشافها. في جزيء RaF، تكون ذرة الفلورايد شريكًا أبسط في الرابطة. فهو يسمح للعلماء بالتركيز على التركيب المغناطيسي لنواة الراديوم الأثقل.

قام الفريق أولاً بإنشاء أحادي فلوريد الراديوم في منشأة ISOLDE التابعة لـ CERN. قاموا بتفجير هدف اليورانيوم بالبروتونات عالية الطاقة لإنتاج نظير الراديوم 225 النادر ودمجه مع غاز الفلور. كل جزيء موجود لمدة أجزاء من الثانية فقط. ولم يتمكن الباحثون من اكتشاف سوى حوالي خمسين في الثانية في الحالة المناسبة للقياس.

ثم قاموا بتوجيه أشعة ليزر متعددة بترددات مختلفة قليلاً على الجزيئات. وعندما امتص الجزيء الضوء أو أطلقه، سجل العلماء التغيرات الصغيرة في ذلك الضوء. أنتج هذا الطيف. عادة، تخبر هذه الأنماط العلماء عن كيفية تحرك الإلكترونات حول النواة. لكن في هذه الحالة، كشفت بعض التحولات أن الإلكترونات تتأثر بالجزء الداخلي من النواة.

“إن الإلكترون يحقق في الواقع داخل النواة، لذلك لم يعد بإمكانك التعامل معها على أنها تفاعل طويل المدى. قال ويلكنز: “بدلاً من ذلك، يبدأ في استشعار الخصائص الداخلية لنواة الراديوم نفسها”.

“هذا التأثير يسمى تأثير بور-فايسكوبف,وأضاف ويلكنز: “على حد علمنا، لم يتم رؤيته في أي جزيء من قبل. إن حقيقة قدرتنا على ملاحظة هذا التأثير تجريبيًا ووصفه نظريًا تخبرنا كثيرًا عن مدى ملاءمة هذه الجزيئات للقياسات الدقيقة المستقبلية.

الآن بعد أن قام الباحثون برسم خريطة للبنية الداخلية لـ RaF، يمكنهم استخدامها لاستكشاف تأثيرات أصغر قد تؤدي إلى كسر تماثلات الطبيعة. وقال ويلكنز إن الخطوة التالية هي إبطاء هذه الجزيئات وحصرها بالليزر لإجراء قياسات أكثر دقة.

وقال أودريسكو: “نحن نعلم الآن أنها يمكن أن تكون أدوات قوية للبحث عن فيزياء جديدة”.