Atomun Kalbindeki Sır Perdesi Aralandı: Kuarklar Çekirdek İçinde Neden Şekil Değiştiriyor?
Nadir İzotop Işınları Tesisi’nde (FRIB) yapılan bir deneyin sonuçları, atom çekirdeklerinin yapısı hakkında temel bir soruyu yanıtlıyor ve farklı elementlerin uzayda nasıl oluştuğunu açıklamaya yardımcı oluyor.
On yıllardır, bazı atom çekirdekleri teorinin açıklayabileceğinden daha fazla düşük enerjili gama ışını yaymaktadır. Nadir İzotop Işınları Tesisi’ndeki (FRIB) araştırmacıların öncülüğünde yürütülen bir iş birliği, çinko-70’teki bu gizemli fazlalığı, çekirdeğin içinde meydana gelen manyetik geçişlere bağladı.
Bulgular, yakın zamanda Nature dergisinde yayınlanan bir çalışmada rapor edildi. Nükleer fizikte uzun süredir devam eden bir sorunu çözerek, bu sonuç, nükleer yapıyı ve uzayda elementlerin oluşumunu anlamak için kullanılan hesaplamaları iyileştirebilir.
Uluslararası iş birliği, Amerika Birleşik Devletleri, Kanada, İtalya, Almanya, Norveç ve Güney Kore’den 25 kurumdan bilim insanlarını bir araya getirdi.
Manyetik geçişler fazlalığı açıklıyor
Gama ışınları, görünür ışık ve radyo dalgaları gibi aynı geniş elektromanyetik radyasyon ailesine aittir. Uyarılmış atom çekirdekleri, daha düşük ve daha kararlı enerji durumlarına geçerken gama ışınları yayarlar. Fizikçiler, gama ışını kuvvet fonksiyonu adı verilen bir ölçümle, çekirdeklerin farklı enerjilerde ne sıklıkla gama ışını yaydığını açıklıyorlar.
Nükleer durumlar arasındaki elektromanyetik geçişler, enerji açığa çıktıkça protonların ve nötronların çekirdek içinde nasıl yeniden düzenlendiğine bağlı olarak elektriksel veya manyetik olabilir. On yıllardır yapılan deneyler, belirli çekirdeklerden düşük enerjili gama ışınlarında beklenmedik bir artış olduğunu ortaya koymuştur. Düşük enerji artışı (LEE) olarak bilinen bu özellik, gama ışını kuvvet fonksiyonunda ortaya çıkar, ancak fiziksel kökeni belirsiz kalmıştır.
Aralarında NNSA laboratuvarları Lawrence Livermore ve Los Alamos’un da bulunduğu dört ulusal laboratuvardan bilim insanları bu çalışmaya katkıda bulundu.
Bu proje, temel nükleer araştırmaları ulusal güvenlik uygulamalarıyla birleştiren ve gelecekteki nükleer iş gücü üyeleri için pratik eğitim sağlayan FRIB’in ulusal laboratuvarlarla olan daha geniş ortaklıklarını yansıtıyor.
Çalışmanın baş yazarı ve eski FRIB yüksek lisans öğrencisi, şu anda İtalya’nın Padova kentindeki Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırma görevlisi olan Eleanor Ronning, “Bu düşük enerjili artış teori tarafından tahmin edilmiyordu, bu nedenle ilk gözlemlendiğinde topluluk için bir tür şok oldu,” dedi. “Düşük enerjili artışın nerede meydana geldiğini tahmin etmek zor; hangi çekirdeklerin bunu sergileyeceğini bilmiyoruz.”
Yeni ölçümler, manyetik geçişlerin bu artışı ürettiğine dair güçlü kanıtlar sunuyor.
Çalışmanın eş lideri ve Ohio Üniversitesi’ndeki Edwards Hızlandırıcı Laboratuvarı’nın yardımcı doçenti ve geçici müdürü Andrea Richard, “Bu önemli bir adım ileriye doğru,” dedi. “Artık deneysel gözlemleri teoriyle birleştiren tutarlı bir açıklamamız var.”
Bu bulgu, element oluşum modellerini değiştiriyor.
Düşük enerjili elementlerin (LEE) kökeninin çözümlenmesi, atom çekirdeklerinin iç yapısının ötesinde önem taşıyor. Bu etki, astrofiziksel ortamlarda elementleri oluşturan nükleer reaksiyonları da etkiliyor.
LEE, bir atom çekirdeğinin bir nötronu absorbe ettiği nötron yakalama reaksiyonlarının beklenen sıklığını artırır. Bu reaksiyonlar, süpernova patlamaları ve nötron yıldızı birleşmeleri gibi olaylar sırasında ağır elementlerin üretimine katkıda bulunur.
Bu artış birçok çekirdeği etkilediğinde, birleşik etkisi hesaplanan reaksiyon hızlarını önemli ölçüde değiştirebilir. Bu değişiklikler, yıldız nükleer süreçleri, nükleer enerji sistemleri ve NNSA’nın ulusal güvenlik çalışmalarıyla bağlantılı uygulamaların modellerini etkiler.
LEE’yi ölçmek zordur çünkü sinyal zayıftır ve arka plan gürültüsü tarafından gizlenebilir. Ayrıştırılması, son derece hassas aletler ve dikkatlice geliştirilmiş analitik yöntemler gerektirir.
FRIB’de fizik profesörü ve Michigan Eyalet Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümü’nde öğretim üyesi olan Artemis Spyrou, “On yılı aşkın süredir gama ışını emisyonundaki bu düşük enerjili artışın doğasını belirlemenin yollarını arıyoruz,” dedi. “Bu sonuç, ancak başladığımızda mevcut olmayan yeni deneysel yeteneklerin ve yeni analiz tekniklerinin geliştirilmesi sayesinde mümkün oldu.”
FRIB’de kimya profesörü, MSU Kimya Bölümü geçici başkanı ve Ronning’in yüksek lisans danışmanı Sean Liddick, çalışmanın yalnızca FRIB’de mevcut olan yeteneklere bağlı olduğunu söyledi.
Liddick, “Özel aletleri etkili bir şekilde tüm tesisi kullanacak şekilde birleştiren yeni bir deneysel teknik kullandık,” dedi. “Bu çabanın bu kadar net bir sonuca yol açtığını görmek heyecan verici.”
İki yol gizli sinyali izole ediyor
Araştırmacılar, düşük enerjili gama ışınlarına odaklandılar; bu ışınlar, düşük enerjili gama ışını (LEE) gösterdiğinden şüphelenilen ve bilinen enerji seviyelerinin düzeni zaten iyi belgelenmiş bir çekirdek olan çinko-70’ten geliyordu. Çinko-70’i yalnızca tek bir yoldan üretmek yerine, ana çekirdeği olan bakır-70’in iki farklı durumunun beta bozunmasını incelediler.
Bir bakır-70 ışını temel durumdaki çekirdekleri içerirken, diğeri izomer olarak bilinen uyarılmış bir durumdaki çekirdekleri içeriyordu. Bu iki başlangıç noktası, çinko-70’e ayrı yollar oluşturarak, enerji seviyelerinin farklı kombinasyonlarını doldurdu ve çekirdeğin tamamlayıcı görünümlerini sundu.
Her iki bakır-70 durumunun da son derece saf ışınlarını üretmek, FRIB’in Düşük Enerjili Işın ve İyon Kapanı (LEBIT) adı verilen, kütle ve enerjide son derece küçük farklılıklara sahip çekirdekleri ayırabilen yüksek hassasiyetli bir kütle spektrometresini gerektiriyordu.
FRIB’de fizik doçenti ve LEBIT grup lideri Ryan Ringle, “LEBIT’i bu şekilde ilk kez kullandık” dedi. “Bu, üzerinde çalışmak için ilginç bir meydan okumaydı ve grubumuzun yüksek lisans öğrencileri için ek eğitim fırsatları sağladı. İzomer ayrımı için bu yeni teknik, daha birçok çekirdeği incelemenin yolunu açıyor ve bu alandaki yeteneklerimizi genişletmek için teknik gelişmeleri teşvik ediyor.”
Bakır-70 çekirdekleri bozunduktan sonra, Summing NaI (SuN) dedektörü çinko-70 tarafından salınan gama ışınlarını kaydetti. Araştırmacılar daha sonra, her bir başlangıç durumundan üretilen gama ışını kuvvet fonksiyonunu hesaplamak için beta-Oslo yöntemi ve Shape yöntemi olmak üzere iki analitik yaklaşım kullandılar.
İki kuvvet fonksiyonunu karşılaştırmak, araştırmacıların çinko-70 içindeki manyetik geçişlerin düşük enerjili artışı ürettiğini kesin olarak belirlemelerini sağladı. Sonuç, nükleer teoriye yeni bir deneysel ölçüt kazandırıyor ve gelecekteki çalışmalar için yol gösteriyor.
Liddick, “Bu ayrılmış izomer tekniğini daha fazla çekirdeğe uygulamayı dört gözle bekliyoruz” dedi. “Hangi çekirdeklerin bu düşük enerjili artışı sergilemesi gerektiğini bilmek, FRIB gibi tesislerde bunları incelemek için deneyler tasarlamak ve astrofiziksel ortamlarda elementlerin nasıl oluştuğuna dair modelleri geliştirmek için çok önemlidir.”
İşbirliği, gelecekteki araştırma kapasitesini geliştirir.
Proje ayrıca, çok sayıda kurum, yüksek lisans öğrencisi ve doktora sonrası araştırmacının dahil olduğu işbirliklerinin, karmaşık deneyleri uzun yıllar boyunca nasıl sürdürebileceğini de göstermektedir.
Ronning ve Richard, FRIB’in Program Danışma Komitesi aracılığıyla ikinci başvuru çağrısı için deneysel öneriyi yazmaya yardımcı oldular. Her ikisi de o zamanlar kariyerlerinin başındaki araştırmacılardı. Ronning, FRIB’de yüksek lisans öğrencisiydi, Richard ise LLNL’de doktora sonrası araştırmacıydı.
MSU’da nükleer astrofizik ve ulusal güvenlik üzerine çalıştığı ilk doktora sonrası pozisyonunu tamamladıktan sonra, Richard temel araştırmayı NNSA’nın misyonuyla daha yakından ilişkilendirmeyi hedefledi. Bu hedef onu LLNL’de doktora sonrası bir pozisyona yönlendirdi. Şimdi Ohio Üniversitesi’nden temel bilim ve ulusal güvenlik alanlarında çalışmalarına devam ediyor.
Richard, “Araştırma ekiplerimizin birleşik uzmanlığı, her şeyi mümkün kılan şeydi,” dedi. “Yıllar boyunca çeşitli kurumlardaki ekiplerle çalışmak bir ayrıcalıktı. Erken kariyer araştırmacısı olarak şekillendirici bir deneyimdi.”
Ronning için ise yayın, en başından beri planlama aşamasından itibaren takip ettiği bir projenin tamamlanmasını işaret ediyordu.
Ronning, “Teklif yazmaktan, deneyi yürütmeye ve Nature dergisinde makaleyi yayınlamaya kadar tüm süreçte çalışmak ödüllendirici bir deneyim oldu,” dedi.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Fizikçiler Atom Çekirdeğinin İçine Bakmanın Bir Yolunu Buldu